JP7000882B2 - Oxynitride thin film and capacitive element - Google Patents

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本発明は、酸窒化物から成る主組成を有する誘電体薄膜およびそれを含む容量素子に関する。 The present invention relates to a dielectric thin film having a main composition composed of an oxynitride and a capacitive element containing the same.

近年、デジタル機器の小型化、高性能化に伴い、高性能な誘電体薄膜を用いた容量素子が求められている。 In recent years, with the miniaturization and higher performance of digital devices, there is a demand for capacitive elements using high-performance dielectric thin films.

従来、誘電体薄膜としては金属酸化物材料を用いた薄膜が広く用いられてきた。しかしながら、金属酸化物材料による誘電体薄膜の特性向上は限界を迎えつつあり、より高い特性を持つ新しい材料が求められている。
誘電体薄膜の材料として酸窒化物が挙げられる。酸窒化物はABONで表すことができるが、例えば組成式SrTaONで表される酸窒化物において、その前駆体となる酸化物はSrTaである。SrTaONはSr、Ta、OおよびNを含む化合物から直接合成することも出来るが、SrTaを窒化することによっても得られる。SrTaの比誘電率は合成法によっても異なるが、おおよそ100前後である(非特許文献1)。一方、SrTaONの比誘電率は数千以上の値が報告されている(非特許文献2、特許文献1)。すなわち、酸窒化物の結晶格子内に窒素を取り込むことにより比誘電率は飛躍的に増大する。
このような酸窒化物の中でも、新しい材料の候補の一つとして、ペロブスカイト結晶構造の酸素8面体中の酸素原子の一部を窒素原子に置換した金属酸窒化物材料が挙げられる。しかし、金属酸窒化物材料を有する誘電体薄膜を得ることは困難である。
Conventionally, a thin film using a metal oxide material has been widely used as a dielectric thin film. However, the improvement of the characteristics of the dielectric thin film by the metal oxide material is reaching the limit, and a new material having higher characteristics is required.
Examples of the material of the dielectric thin film include oxynitride. The oxynitride can be represented by ABO 2 N. For example, in the oxynitride represented by the composition formula SrTaO 2 N, the oxide as a precursor thereof is Sr 2 Ta 2 O 7 . SrTaO 2 N can be synthesized directly from compounds containing Sr, Ta, O and N, but can also be obtained by nitriding Sr 2 Ta 2 O 7 . The relative permittivity of Sr 2 Ta 2 O 7 varies depending on the synthesis method, but is about 100 (Non-Patent Document 1). On the other hand, the relative permittivity of SrTaO 2N has been reported to have a value of several thousand or more (Non-Patent Document 2 and Patent Document 1). That is, the relative permittivity increases dramatically by incorporating nitrogen into the crystal lattice of the oxynitride.
Among such oxynitrides, one of the candidates for a new material is a metal oxynitride material in which some of the oxygen atoms in the oxygen octahedron of the perovskite crystal structure are replaced with nitrogen atoms. However, it is difficult to obtain a dielectric thin film having a metal oxynitride material.

例えば、特許文献2および特許文献3には、ペロブスカイト型酸窒化物ABONの粉末を作製する方法が記載されている。しかし、特許文献および特許文献には、ペロブスカイト型酸窒化物ABONを用いた薄膜を得ることに関しては何ら開示されていない。 For example, Patent Document 2 and Patent Document 3 describe a method for producing a powder of perovskite - type oxynitride ABO 2N. However, Patent Document 2 and Patent Document 3 do not disclose anything about obtaining a thin film using the perovskite - type oxynitride ABO 2N.

また、非特許文献3および非特許文献4にはペロブスカイト型酸窒化物ABONからなる薄膜を作製した旨が記載されている。しかし、非特許文献および非特許文献で得られる薄膜はエピタキシャル膜である。 Further, Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4 describe that a thin film made of perovskite - type oxynitride ABO 2N was produced. However, the thin films obtained in Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4 are epitaxial films.

エピタキシャル膜はその製造に非常に時間がかかるという欠点がある。非特許文献1では厚さ20nm以下のエピタキシャル膜の製造に530時間以下という長い時間がかかる旨が記載されている。 The epitaxial film has the drawback that it takes a very long time to manufacture. Non-Patent Document 1 describes that it takes a long time of 530 hours or less to produce an epitaxial film having a thickness of 20 nm or less.

特開2004-296603号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-296603 特開昭61-122108号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 61-122108 特開2013-001625号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-001625

Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 11 (2000), p.575-578Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 11 (2000), p.575-578 Chem. Master., Vol.16, No.7, 2004, p.1267-1276Chem. Master., Vol.16, No.7, 2004, p.1267-1276 Scientific Reports 4. DOI: 10.1038/srep04987Scientific Reports 4. DOI: 10.1038 / srep04987 KAST 平成25年度研究概要 32-33ページKAST 2013 Research Overview Page 32-33

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、製造効率が高く、誘電特性に優れる酸窒化物から成る主組成を有する誘電体薄膜およびそれを含む容量素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such an actual situation, and an object of the present invention is to provide a dielectric thin film having a main composition made of an oxynitride having high production efficiency and excellent dielectric properties, and a capacitive element containing the same.

本発明に係る誘電体薄膜は、
組成式A(a+b+o+n=5)で表される酸窒化物から成る主組成を有する誘電体薄膜であって、
前記AはSr,Ba,Ca,La,Ce,Pr,Nd,Naのいずれか1つ以上であり、
前記BはTa,Nb,Ti,Wのいずれか1つ以上であり、
前記誘電体薄膜を構成する結晶粒子は、ある特定の結晶面方位に配向していない多結晶であり、しかも柱状の粒子で構成されることを特徴とする。
The dielectric thin film according to the present invention is
A dielectric thin film having a main composition composed of an oxynitride represented by the composition formula A a B b O o N n (a + b + o + n = 5).
The A is any one or more of Sr, Ba, Ca, La, Ce, Pr, Nd, and Na.
B is any one or more of Ta, Nb, Ti, and W, and is
The crystal particles constituting the dielectric thin film are polycrystals that are not oriented in a specific crystal plane orientation, and are characterized by being composed of columnar particles.

本発明に係る誘電体薄膜は、上記の特徴を有することで、誘電特性を高めることができる。 The dielectric thin film according to the present invention has the above-mentioned characteristics, so that the dielectric characteristics can be enhanced.

好ましくは、前記柱状の粒子が、前記誘電体薄膜が形成される基板に対して交差する方向に延びている。 Preferably, the columnar particles extend in a direction intersecting the substrate on which the dielectric thin film is formed.

好ましくは、誘電体薄膜の表面から裏面まで貫通している前記柱状の粒子の構成比率が30%以上である。 Preferably, the composition ratio of the columnar particles penetrating from the front surface to the back surface of the dielectric thin film is 30% or more.

好ましくは、誘電体薄膜の表面から厚み方向に1/4の深さ位置と、1/2の深さ位置と、3/4の深さ位置とで、窒素の組成比率を測定した場合に、これらの3つの位置における窒素組成の変動率の最大が±55%以内である。 Preferably, when the nitrogen composition ratio is measured at a depth position of 1/4, a depth position of 1/2, and a depth position of 3/4 in the thickness direction from the surface of the dielectric thin film, the nitrogen composition ratio is measured. The maximum fluctuation rate of nitrogen composition at these three positions is within ± 55 %.

好ましくは、前記AはSrであり、前記Bは、Taおよび/またはNbであり、前記nは、ゼロより大きく1より小さい。 Preferably, A is Sr, B is Ta and / or Nb, and n is greater than zero and less than 1.

本発明に係る容量素子は、前記誘電体薄膜を有する。 The capacitive element according to the present invention has the dielectric thin film.

本発明の一実施形態に係る薄膜キャパシタの概略図である。It is a schematic diagram of the thin film capacitor which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る誘電体薄膜における柱状の粒子の形状を破線で示した模式図である。It is a schematic diagram which showed the shape of the columnar particle in the dielectric thin film which concerns on one Embodiment of this invention by the broken line. 実施例1の誘電体薄膜サンプルのTEM画像である。破線は粒子の形状を示す。It is a TEM image of the dielectric thin film sample of Example 1. The dashed line indicates the shape of the particle. 実施例2の誘電体薄膜サンプルのTEM画像である。破線は粒子の形状を示す。It is a TEM image of the dielectric thin film sample of Example 2. The dashed line indicates the shape of the particle.

以下、本発明を実施形態に基づき説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on the embodiments.

本実施形態に係る薄膜キャパシタ(容量素子)の模式図を図1に示す。図1に示す薄膜キャパシタ1は、基板11上に下部電極12、誘電体薄膜13の順に形成され、誘電体薄膜13の上に上部電極14を備える。 FIG. 1 shows a schematic diagram of a thin film capacitor (capacitive element) according to this embodiment. The thin film capacitor 1 shown in FIG. 1 is formed on a substrate 11 in the order of a lower electrode 12 and a dielectric thin film 13, and includes an upper electrode 14 on the dielectric thin film 13.

基板11の材質には特に制限はないが、基板11としてSi単結晶基板を用いることが入手容易性およびコスト性に優れている。フレキシビリティを重視する場合にはNi箔を基板として使用することも出来る。 The material of the substrate 11 is not particularly limited, but using a Si single crystal substrate as the substrate 11 is excellent in availability and cost. Ni foil can also be used as a substrate when flexibility is important.

下部電極12および上部電極14の材質に特に制限はなく、電極として機能すればよい。例えば、Pt,Ag,Ni等が挙げられる。下部電極12の厚みは0.01~10μmが好ましい。上部電極14の厚みは0.01~10μmが好ましい。 The materials of the lower electrode 12 and the upper electrode 14 are not particularly limited, and may function as electrodes. For example, Pt, Ag, Ni and the like can be mentioned. The thickness of the lower electrode 12 is preferably 0.01 to 10 μm. The thickness of the upper electrode 14 is preferably 0.01 to 10 μm.

誘電体薄膜13は、組成式A(a+b+o+n=5)で表される酸窒化物から成る主組成を有する。 The dielectric thin film 13 has a main composition composed of an oxynitride represented by the composition formula A a B b O on N (a + b + o + n = 5).

AはSr,Ba,Ca,La,Ce,Pr,Nd,Naから選ばれる1以上の元素である。好ましくは、Aは、Sr,Ba,La,Ndから選ばれる1以上の元素である。より好ましく、AはSrである。Aとして上記元素を用いることで、高い容量が得られる。BはTa,Nb,Ti,Wから選ばれる1以上の元素である。好ましくは、Bは、Ta,Nbから選ばれる1以上の元素である。より好ましく、BはTaである。Bとして上記元素を用いることで、異相が少ない誘電体薄膜13が得られる。 A is one or more elements selected from Sr, Ba, Ca, La, Ce, Pr, Nd, and Na. Preferably, A is one or more elements selected from Sr, Ba, La and Nd. More preferably, A is Sr. By using the above element as A, a high capacity can be obtained. B is one or more elements selected from Ta, Nb, Ti, and W. Preferably, B is one or more elements selected from Ta and Nb. More preferably, B is Ta. By using the above element as B, a dielectric thin film 13 having few different phases can be obtained.

また、組成式Aにおいて、好ましくは、a<1である。また、好ましくはa/b>1であり、より好ましくはa/b≧1.05である。また、好ましくは1>n>0であり、より好ましくは1>n≧0.3であり、さらに好ましくは1>n≧0.5である。a、bおよびnを上記の範囲とすることで、良好な誘電特性が得られる。 Further, in the composition formula A a B b O N n , a <1 is preferable. Further, a / b> 1 is preferable, and a / b ≧ 1.05 is more preferable. Further, 1>n> 0 is preferable, 1> n ≧ 0.3 is more preferable, and 1> n ≧ 0.5 is more preferable. By setting a, b and n in the above range, good dielectric properties can be obtained.

誘電体薄膜13を構成する結晶粒子は、ある特定の結晶面方位に配向していない多結晶である。そして、図2に示すように、誘電体薄膜13を構成する結晶粒子は、柱状の粒子Xで構成され、上記柱状の粒子Xは、好ましくは、誘電体薄膜13が形成される基板11に対して交差する方向に延びている。また、上記柱状の粒子Xは、図2に示すように、誘電体薄膜13の上部電極14側の表面から基板11側の裏面まで貫通していることが好ましい。本実施形態では、誘電体薄膜13を構成する結晶粒子が、ある特定の結晶面方位に配向していない多結晶であり、柱状の粒子Xで構成されることにより、誘電特性が向上する。 The crystal particles constituting the dielectric thin film 13 are polycrystals that are not oriented in a specific crystal plane orientation. Then, as shown in FIG. 2, the crystal particles constituting the dielectric thin film 13 are composed of columnar particles X, and the columnar particles X are preferably with respect to the substrate 11 on which the dielectric thin film 13 is formed. Extends in the direction of intersection. Further, as shown in FIG. 2, it is preferable that the columnar particles X penetrate from the front surface of the dielectric thin film 13 on the upper electrode 14 side to the back surface of the substrate 11 side. In the present embodiment, the crystal particles constituting the dielectric thin film 13 are polycrystals that are not oriented in a specific crystal plane orientation, and the dielectric characteristics are improved by being composed of columnar particles X.

誘電体薄膜13を構成する結晶粒子が、ある特定の結晶面方位に配向していない多結晶であり柱状の粒子Xで構成されることにより、結晶粒子内に窒素が効率よく取り込まれて誘電体薄膜の誘電特性が向上すると考えられる。
通常、配向膜はその配向性を得るために比較的遅い成膜速度によって形成されるが、そのような遅い成膜速度では、窒素の拡散経路となる膜厚方向の粒界が十分に得られない。本実施形態では、誘電体薄膜13を構成する結晶粒子が柱状の粒子形状であることにより、膜厚方向に窒素の拡散経路が形成されて、窒素を効率良く結晶内に取り込むことができると考えられる。その結果、本実施形態の誘電体薄膜では比誘電率が向上し、高い誘電特性が得られる。
The crystal particles constituting the dielectric thin film 13 are polycrystals that are not oriented in a specific crystal plane orientation and are composed of columnar particles X, so that nitrogen is efficiently incorporated into the crystal particles to form a dielectric. It is considered that the dielectric properties of the thin film are improved.
Normally, the alignment film is formed at a relatively slow film formation rate in order to obtain its orientation, but at such a slow film formation rate, a grain boundary in the film thickness direction, which is a diffusion path for nitrogen, is sufficiently obtained. do not have. In the present embodiment, it is considered that since the crystal particles constituting the dielectric thin film 13 have a columnar particle shape, a nitrogen diffusion path is formed in the film thickness direction, and nitrogen can be efficiently taken into the crystal. Be done. As a result, the dielectric thin film of the present embodiment has an improved relative permittivity and high dielectric properties can be obtained.

さらに、このように誘電体薄膜13を貫通している柱状の粒子Xの、誘電体薄膜13を構成する全結晶粒子に対する構成比率は、好ましくは30%以上である。上記構成比率は、誘電体薄膜13の透過型電子顕微鏡(TEM)画像に基づいて観察される、全結晶粒子の数における貫通している柱状の粒子Xの数の比率である。貫通している柱状の粒子Xの構成比率を上記範囲とすることで誘電特性が向上する。 Further, the composition ratio of the columnar particles X penetrating the dielectric thin film 13 to the total crystal particles constituting the dielectric thin film 13 is preferably 30% or more. The composition ratio is the ratio of the number of penetrating columnar particles X to the total number of crystal particles observed based on the transmission electron microscope (TEM) image of the dielectric thin film 13. The dielectric property is improved by setting the composition ratio of the penetrating columnar particles X within the above range.

また、誘電体薄膜13における窒素組成は、その表面から厚み方向に1/4の深さ位置(表層側)と、1/2の深さ位置(膜中央)と、3/4の深さ位置(基板側)とで変動が少ないことが好ましい。より好ましくは、上記各深さ位置における窒素組成の変動率の最大は、好ましくは±55%以内であり、より好ましくは±25%以内であり、さらに好ましくは±20%以内であり、特に好ましくは±16%以内である。窒素組成の変動率の最大を上記範囲とすることにより、誘電特性が向上する。なお、誘電体薄膜13における窒素組成は、X線光電子分光法により確認できる。 Further, the nitrogen composition of the dielectric thin film 13 has a depth position of 1/4 (surface layer side), a depth position of 1/2 (center of the film), and a depth position of 3/4 in the thickness direction from the surface thereof. It is preferable that there is little variation with (the substrate side). More preferably, the maximum volatility of the nitrogen composition at each of the above depth positions is preferably within ± 55%, more preferably within ± 25%, still more preferably within ± 20%, and particularly preferably within ± 20%. Is within ± 16%. By setting the maximum volatility of the nitrogen composition within the above range, the dielectric properties are improved. The nitrogen composition of the dielectric thin film 13 can be confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy.

変動率の最大Xは、次のように算出する。まず、上記各深さ位置において異なる5点以上の窒素組成を測定する。次に、上記異なる5点以上の窒素組成に基づき、各深さ位置における窒素平均組成を求める。すなわち、上記異なる5点以上における、1/4の深さ位置での窒素平均組成X 、1/2の深さ位置での窒素平均組成X、3/4の深さ位置での窒素平均組成Xを算出する。ここで、各深さ位置における窒素平均組成の平均値(X+X+X)/3を薄膜の窒素組成の平均値Xとする。そして、各深さ位置における変動率X’=(X-X)/Xを求める(n=1、2、3)。すなわち、1/4の深さ位置での変動率X’、1/2の深さ位置での変動率’、3/4の深さ位置での変動率’を算出する。X’、X’、X’のうち、平均値Xとの差が最も大きい変動率を、変動率の最大Xとする。 The maximum volatility X is calculated as follows. First, the nitrogen compositions at five or more points that differ at each of the above depth positions are measured. Next, the nitrogen average composition at each depth position is obtained based on the nitrogen compositions of the above five or more different points. That is, at the above five or more different points, the nitrogen average composition X 1 at the depth position of 1/4, the nitrogen average composition X 2 at the depth position of 1/2, and the nitrogen average at the depth position of 3/4. The composition X 3 is calculated. Here, the average value (X 1 + X 2 + X 3 ) / 3 of the nitrogen composition at each depth position is defined as the average value X a of the nitrogen composition of the thin film. Then, the volatility X n '= (X n −X a ) / X a at each depth position is obtained (n = 1, 2, 3). That is, the volatility X 1'at the 1/4 depth position and the volatility X 2'at the 1/2 depth position and the volatility X 3'at the 3/4 depth position are calculated. Of X 1 ', X 2 ', and X 3 ', the volatility having the largest difference from the average value X a is defined as the maximum volatility X.

窒素の定量に関しては、AlNなどの窒化単結晶ウェハが望ましいが、同組成から構成された酸窒化粉から感度因子を算出して定量値を補正することも出来る。酸窒化粉で補正する場合は、あらかじめ酸窒化粉に対し、インパルス加熱溶融抽出法等を用いて定量しておくと良い。また装置内標準で代用することも出来る。 For the quantification of nitrogen, a nitride single crystal wafer such as AlN is desirable, but a sensitivity factor can be calculated from the oxynitride powder composed of the same composition to correct the quantification value. When compensating with the oxynitride powder, it is advisable to quantify the oxynitride powder in advance by using an impulse heating melt extraction method or the like. In addition, the standard in the device can be used as a substitute.

誘電体薄膜13の厚さには特に制限はないが、好ましくは10nm~2μmであり、より好ましくは10nm~1μmである。 The thickness of the dielectric thin film 13 is not particularly limited, but is preferably 10 nm to 2 μm, and more preferably 10 nm to 1 μm.

誘電体薄膜の誘電正接(tanδ)は、好ましくは60%以下であり、より好ましくは40%以下であり、さらに好ましくは15%以下であり、特に好ましくは10%以下である。誘電正接(tanδ)を上記範囲とすることで、誘電特性に優れる誘電体薄膜が得られる。
なお、誘電体薄膜の誘電正接(tanδ)は、LCRメータを用いて、電圧1V/rms、周波数1kHzの条件で測定できる。
The dielectric loss tangent (tan δ) of the dielectric thin film is preferably 60% or less, more preferably 40% or less, still more preferably 15% or less, and particularly preferably 10% or less. By setting the dielectric loss tangent (tan δ) in the above range, a dielectric thin film having excellent dielectric properties can be obtained.
The dielectric loss tangent (tan δ) of the dielectric thin film can be measured using an LCR meter under the conditions of a voltage of 1 V / rms and a frequency of 1 kHz.

誘電体薄膜の比誘電率は、好ましくは355以上であり、より好ましくは450以上であり、さらに好ましくは700以上であり、特に好ましくは1110以上である。比誘電率を上記範囲とすることで、誘電特性に優れる誘電体薄膜が得られる。
なお、比誘電率は、LCRメータを用いて、電圧1V/rms、周波数1kHzにおける静電容量を測定し、静電容量、誘電体薄膜の厚みおよび電極面積に基づいて算出できる。
The relative permittivity of the dielectric thin film is preferably 355 or more, more preferably 450 or more, still more preferably 700 or more, and particularly preferably 1110 or more. By setting the relative permittivity within the above range, a dielectric thin film having excellent dielectric properties can be obtained.
The relative permittivity can be calculated based on the capacitance, the thickness of the dielectric thin film, and the electrode area by measuring the capacitance at a voltage of 1 V / rms and a frequency of 1 kHz using an LCR meter.

薄膜キャパシタ1の製造方法
次に、薄膜キャパシタ1の製造方法について説明する。以下、組成式Aで表される酸窒化物から成る主組成を有する誘電体薄膜13において、A原子がSrであり、B原子がTaである場合について説明するが、他の種類の原子を用いる場合でも同様である。
Method for Manufacturing Thin Film Capacitor 1 Next, a method for manufacturing the thin film capacitor 1 will be described. Hereinafter, in the dielectric thin film 13 having a main composition composed of an oxynitride represented by the composition formula A a B b O N n , a case where the A atom is Sr and the B atom is Ta will be described. The same applies when other types of atoms are used.

最終的に誘電体薄膜13となる薄膜の成膜方法に特に制限はない。例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、PLD法(パルスレーザー蒸着法)、MO-CVD(有機金属化学気相成長法)、MOD(有機金属分解法)、ゾル・ゲル法、CSD(化学溶液堆積法)などが例示される。また、成膜時に使用する原料には微少な不純物や副成分が含まれている場合があるが、薄膜の性能を大きく損なわない程度の量であれば特に問題はない。また、本実施形態に係る誘電体薄膜13も、性能を大きく損なわない程度に微少な不純物や副成分を含んでいても構わない。 There is no particular limitation on the method for forming a thin film that finally becomes the dielectric thin film 13. For example, vacuum vapor deposition method, sputtering method, PLD method (pulse laser vapor deposition method), MO-CVD (organic metal chemical vapor deposition method), MOD (organic metal decomposition method), sol gel method, CSD (chemical solution deposition method). ) Etc. are exemplified. Further, the raw material used at the time of film formation may contain minute impurities and auxiliary components, but there is no particular problem as long as the amount does not significantly impair the performance of the thin film. Further, the dielectric thin film 13 according to the present embodiment may also contain minute impurities and subcomponents so as not to significantly impair the performance.

上記の成膜方法のうち、PLD法、スパッタリング法およびCSD法などの方法で成膜すると、最終的に得られる薄膜が多結晶膜となりやすい。CVD法でも合成は可能であるが、成分元素数が多いため、PLD法やスパッタリング法の方がより組成制御性が高い。本実施形態ではPLD法による成膜方法について説明する。 Of the above film forming methods, when a film is formed by a method such as a PLD method, a sputtering method, or a CSD method, the finally obtained thin film tends to be a polycrystalline film. Although synthesis is possible by the CVD method, the PLD method and the sputtering method have higher composition controllability due to the large number of component elements. In this embodiment, a film forming method by the PLD method will be described.

まず、基板11としてSi単結晶基板を準備する。次に、Si単結晶基板上にSiO、TiO、Ptの順に成膜し、Ptからなる下部電極12を形成する。下部電極12を形成する方法には特に制限はない。例えば、スパッタリング法やCVD法などが挙げられる。 First, a Si single crystal substrate is prepared as the substrate 11. Next, a film is formed on a Si single crystal substrate in the order of SiO 2 , TiO x , and Pt to form a lower electrode 12 made of Pt. There is no particular limitation on the method of forming the lower electrode 12. For example, a sputtering method or a CVD method can be mentioned.

次に、下部電極12上にPLD法で金属酸化物薄膜を成膜する。下部電極12の一部を露出させるためにメタルマスクを使用して薄膜が一部成膜されない領域を形成してもよい。 Next, a metal oxide thin film is formed on the lower electrode 12 by the PLD method. A metal mask may be used to expose a portion of the lower electrode 12 to form a region where the thin film is not partially formed.

PLD法では、まず、目的とする誘電体薄膜の構成元素を含むターゲットを成膜室内に設置する。次に、ターゲットの表面上にパルスレーザーを照射する。パルスレーザーの強いエネルギーによりターゲットの表面を瞬時に蒸発させる。そして、ターゲットと対向するように配置した基板上に蒸発物を堆積させて金属酸化物薄膜を成膜する。 In the PLD method, first, a target containing a constituent element of a target dielectric thin film is installed in a film forming chamber. Next, a pulsed laser is irradiated on the surface of the target. The strong energy of the pulsed laser instantly evaporates the surface of the target. Then, the evaporation material is deposited on the substrate arranged so as to face the target to form a metal oxide thin film.

ターゲットとしては、例えば、組成式Aを有する前駆体を用いることができる。この前駆体は、ペロブスカイトスラブと呼ばれる、ペロブスカイトユニットとO過剰層が交互に積み重なったペロブスカイト層状化合物であることが好ましい。 As the target, for example, a precursor having the composition formula A 2 B 2 O 7 can be used. This precursor is preferably a perovskite layered compound, called a perovskite slab, in which perovskite units and O excess layers are alternately stacked.

ターゲットの種類に特に制限はなく、酸窒化粉を圧縮して成形したペレットを使用することも出来る。ただし、含有されているN量を十分に管理する必要があるため、Aのペレットを使用する方が制御性は良い。また、ターゲットにおいては各元素が平均的に分布していることが好ましいが、得られる誘電体薄膜の品質に影響がない範囲で分布にばらつきがあってもよい。さらに、ターゲットは必ずしも一つである必要はなく、誘電体薄膜の構成元素の一部を含むターゲットを複数用意して成膜に用いることも可能である。ターゲットの形状にも制限はなく、使用する成膜装置に適した形状とすればよい。また、成膜条件(酸素のガス圧,窒素のガス圧,成膜室の大きさおよびガス導入管の位置等)を調整することで、最終的に得られる誘電体薄膜のaおよびbを制御できる。例えば、ターゲットのa/bを大きくすれば、成膜された膜中のa/bを大きくすることができる。 The type of target is not particularly limited, and pellets formed by compressing oxynitride powder can also be used. However, since it is necessary to sufficiently control the amount of N contained, it is better to use pellets of A2B2O7 for better controllability. Further, it is preferable that each element is evenly distributed in the target, but the distribution may vary within a range that does not affect the quality of the obtained dielectric thin film. Further, the number of targets does not necessarily have to be one, and it is possible to prepare a plurality of targets containing a part of the constituent elements of the dielectric thin film and use them for film formation. There is no limitation on the shape of the target, and the shape may be suitable for the film forming apparatus to be used. Further, by adjusting the film forming conditions (oxygen gas pressure, nitrogen gas pressure, film forming chamber size, position of gas introduction tube, etc.), a and b of the finally obtained dielectric thin film are controlled. can. For example, if the a / b of the target is increased, the a / b in the film formed can be increased.

例えば、最終的に得られる誘電体薄膜の組成がSrTaである場合には、ターゲットとしてSrTaを含む焼結体を準備する。そして、成膜条件(例えば酸素のガス圧,窒素のガス圧,成膜室の大きさおよびガス導入管の位置等)を調整することで、最終的に得られる誘電体薄膜のaおよびbを制御できる。 For example, when the composition of the finally obtained dielectric thin film is Sr a Tab O o N n , a sintered body containing Sr 2 Ta 2 O 7 is prepared as a target. Then, by adjusting the film forming conditions (for example, oxygen gas pressure, nitrogen gas pressure, film forming chamber size, position of gas introduction tube, etc.), the finally obtained dielectric thin films a and b can be obtained. Can be controlled.

成膜条件も重要である。パルスレーザーによりターゲットから蒸発した金属元素は成膜室中の雰囲気を構成する元素の影響を受け、基板の成膜面に到達するからである。雰囲気圧力を超高真空から大気圧近くまで幅広くとれるのがPLD法の特徴であるが、真空度が高い方が結晶性の高い膜が得られやすく、一方、酸素等の雰囲気圧力が高い方が酸素等の欠陥が少ない膜が得られやすい。プラズマを併用する場合は、プラズマが維持できる圧力範囲幅が決まっているため、その範囲内において、結晶性および欠陥等を鑑みて、適切な圧力を決めれば良い。酸窒化物を成膜するために酸素と窒素を導入する場合、酸素は窒素が膜中に取り込まれるのを阻害するため、その圧力は低い方が望ましい。酸素を導入しなくても、プラズマにより活性化された窒素を導入することでペロブスカイト構造を形成することが可能である。なお、スパッタンリング法では成膜室中の雰囲気としてアルゴンを併用するのが望ましい。 Film formation conditions are also important. This is because the metal element evaporated from the target by the pulse laser is affected by the elements constituting the atmosphere in the film forming chamber and reaches the film forming surface of the substrate. The PLD method is characterized by the ability to take a wide range of atmospheric pressure from ultra-high vacuum to near atmospheric pressure, but the higher the vacuum, the easier it is to obtain a highly crystalline film, while the higher the atmospheric pressure, such as oxygen, the better. It is easy to obtain a film with few defects such as oxygen. When plasma is used in combination, the pressure range width that plasma can maintain is determined, so an appropriate pressure may be determined within that range in consideration of crystallinity, defects, and the like. When oxygen and nitrogen are introduced to form an oxynitride, the pressure is preferably low because oxygen inhibits the uptake of nitrogen into the film. It is possible to form a perovskite structure by introducing nitrogen activated by plasma without introducing oxygen. In the spattering method, it is desirable to use argon together as the atmosphere in the film forming chamber.

また、PLD法の際には、成膜する金属酸化物薄膜を結晶化させるために成膜時に基板11を赤外線レーザーで加熱することが好ましい。成膜時の基板11の加熱温度は、金属酸化物薄膜および基板11の構成元素および組成等により変化するが、好ましくは550~850℃であり、より好ましくは600~800℃であり、さらに好ましくは650~750℃である。成膜時の基板の加熱温度を上記範囲とすることで、柱状の粒子が形成されやすくなる。また、空隙が形成されにくくなって誘電特性が向上する。さらに、基板11の温度を適温とすることで、金属酸窒化物薄膜が結晶化しやすくなるとともに冷却時に生じる割れの発生を防止できる。 Further, in the PLD method, it is preferable to heat the substrate 11 with an infrared laser at the time of film formation in order to crystallize the metal oxide thin film to be filmed. The heating temperature of the substrate 11 at the time of film formation varies depending on the metal oxide thin film, the constituent elements and the composition of the substrate 11, but is preferably 550 to 850 ° C, more preferably 600 to 800 ° C, still more preferable. Is 650 to 750 ° C. By setting the heating temperature of the substrate at the time of film formation within the above range, columnar particles are likely to be formed. In addition, voids are less likely to be formed and the dielectric properties are improved. Further, by setting the temperature of the substrate 11 to an appropriate temperature, the metallic oxynitride thin film can be easily crystallized and cracks generated during cooling can be prevented.

成膜中に、窒素ラジカルを導入して窒化処理を行うことで、ペロブスカイト型酸窒化物からなる誘電体薄膜13を得ることができる。金属酸化物膜を成膜した後に、窒素ラジカルを導入して窒化処理を行っても良いが、成膜中に窒素ラジカルを導入した方が、成膜した薄膜中の窒素量をより多くすることができる。 By introducing nitrogen radicals into the film and performing nitriding treatment, a dielectric thin film 13 made of perovskite-type oxynitride can be obtained. After forming a metal oxide film, nitrogen radicals may be introduced to perform nitriding treatment, but introducing nitrogen radicals during film formation should increase the amount of nitrogen in the formed thin film. Can be done.

基板上の誘電体薄膜13は、成膜後、高速熱アニール処理(RTA)してもよい。アニールは成膜温度より100℃高い温度以下、より好ましくは成膜温度以下で行われることにより、成膜時に形成された柱状構造を維持することが出来る。成膜温度以下でアニールが行われた場合、得られた膜のXRDパターンはアニールの前後で有意な変化が確認されないため、柱状の結晶構造は成膜時に決定され、アニールでは欠陥の補填や応力緩和等が生じていると推定される。 The dielectric thin film 13 on the substrate may be subjected to a high-speed thermal annealing treatment (RTA) after the film formation. By performing the annealing at a temperature 100 ° C. higher than the film formation temperature, more preferably at a film formation temperature or lower, the columnar structure formed at the time of film formation can be maintained. When annealing is performed below the film formation temperature, no significant change is confirmed in the XRD pattern of the obtained film before and after annealing, so the columnar crystal structure is determined at the time of film formation, and defect compensation and stress are performed in annealing. It is presumed that relaxation has occurred.

最後に、誘電体薄膜13上に上部電極14を形成することで、薄膜キャパシタ1を製造できる。なお、上部電極14の材質に特に制限はなく、Ag,Au,Cu等を用いることができる。また、上部電極14の形成方法にも特に制限はない。例えば、スパッタリング法や蒸着により形成できる。 Finally, the thin film capacitor 1 can be manufactured by forming the upper electrode 14 on the dielectric thin film 13. The material of the upper electrode 14 is not particularly limited, and Ag, Au, Cu, or the like can be used. Further, the method of forming the upper electrode 14 is not particularly limited. For example, it can be formed by a sputtering method or vapor deposition.

なお、誘電体薄膜13と下部電極12との間、および誘電体薄膜13と上部電極14との間には、中間層15があってもよい。中間層15は、絶縁材で構成されてもよく、導電材で構成されてもよい。絶縁材としては、アルミニウム、ケイ素、ストロンチウム、およびタンタルのうち少なくとも1つを含む酸化物または窒化物等の化合物等を用いることができる。導電材としては、Cu、Al、Ni、Au、およびNi-Cr等を用いることができる。中間層15の形成方法としては、上述の誘電体薄膜13の形成方法、または下部電極12および上部電極14の形成方法と同様の方法を採用できる。そして、中間層15は、絶縁層、応力緩和層、または電極面の凹凸を平滑化するための層等として機能し得る。
中間層15は、誘電体薄膜13と下部電極12との間、および誘電体薄膜13と上部電極14との間の両方にあってもよく、いずれか一方にあってもよい。中間層が複数ある場合には、それぞれの中間層が異なる機能を有していてもよい。
中間層15の厚さは、好ましくは、誘電体薄膜13の厚さの20%以下であり、より好ましくは10%以下である。
An intermediate layer 15 may be provided between the dielectric thin film 13 and the lower electrode 12, and between the dielectric thin film 13 and the upper electrode 14. The intermediate layer 15 may be made of an insulating material or a conductive material. As the insulating material, a compound such as an oxide or a nitride containing at least one of aluminum, silicon, strontium, and tantalum can be used. As the conductive material, Cu, Al, Ni, Au, Ni—Cr and the like can be used. As a method for forming the intermediate layer 15, a method similar to the above-mentioned method for forming the dielectric thin film 13 or the method for forming the lower electrode 12 and the upper electrode 14 can be adopted. The intermediate layer 15 can function as an insulating layer, a stress relaxation layer, a layer for smoothing irregularities on the electrode surface, and the like.
The intermediate layer 15 may be located between the dielectric thin film 13 and the lower electrode 12, and may be located between the dielectric thin film 13 and the upper electrode 14, or may be located in either one of them. When there are a plurality of intermediate layers, each intermediate layer may have a different function.
The thickness of the intermediate layer 15 is preferably 20% or less, more preferably 10% or less of the thickness of the dielectric thin film 13.

本実施形態に係る誘電体薄膜は、例えば電圧同調可能なコンデンサや、デカップリング薄膜コンデンサのような高密度コンデンサ装置の誘電層として使用できる。 The dielectric thin film according to the present embodiment can be used as a dielectric layer of, for example, a voltage-tunable capacitor or a high-density capacitor device such as a decoupling thin film capacitor.

本実施形態に係る容量素子は、本実施形態に係る誘電体薄膜の優れた誘電性を利用した素子のことであり、コンデンサ、サーミスタ、フィルター、ダイプレクサ、共振器、発信子、アンテナ、圧電素子、トランジスタ、強誘電体メモリ等を含む。本実施形態に係る誘電体薄膜は、特に誘電特性が高いことが求められる容量素子に好適に用いられる。 The capacitive element according to the present embodiment is an element utilizing the excellent dielectric property of the dielectric thin film according to the present embodiment, and is a capacitor, a thermista, a filter, a diplexer, a resonator, a transmitter, an antenna, a piezoelectric element, and the like. Includes transistors, ferroelectric memories, etc. The dielectric thin film according to the present embodiment is suitably used for a capacitive element that is particularly required to have high dielectric properties.

本実施形態に係る容量素子として、例えばコンデンサの製造する方法としては、基板上に適当な電極を有する高同調装置構造を形成する方法が挙げられる。該高同調装置構造として、特に限定されないが、例えばSAWデュプレクサ、RF-MEMSによるスイッチ、圧電駆動型のMEMSエアギャップバラクタ、固定(低同調性)高密度薄膜コンデンサ、TFBAR回路、抵抗器、インダクタ、酸化物をベースとするTFTおよびセンサなどの他の薄膜装置と集積化したものを用いてよい。 As the capacitive element according to the present embodiment, for example, as a method of manufacturing a capacitor, a method of forming a high tuning device structure having an appropriate electrode on a substrate can be mentioned. The high tuning device structure is not particularly limited, and is, for example, a SAW duplexer, a switch by RF-MEMS, a piezoelectric driven MEMS air gap varicap, a fixed (low tuning) high density thin film capacitor, a TFBAR circuit, a resistor, an inductor, and the like. Those integrated with other thin film devices such as oxide-based TFTs and sensors may be used.

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々異なる態様で実施し得ることは勿論である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and it is needless to say that the present invention can be carried out in various different modes without departing from the gist of the present invention. ..

以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。 Hereinafter, the present invention will be described based on more detailed examples, but the present invention is not limited to these examples.

実施例1
まず、成膜用ターゲットとして用いるSrTa焼結体の原料として、SrCO粉末およびTa粉末を準備した。Sr/Taのモル比が1となるようにSrCO粉末およびTa粉末を秤量した。
Example 1
First, SrCO 3 powder and Ta 2 O 5 powder were prepared as raw materials for the Sr 2 Ta 2 O 7 sintered body used as a film forming target. The SrCO 3 powder and the Ta 2 O 5 powder were weighed so that the molar ratio of Sr / Ta was 1.

次に、SrCO粉末およびTa粉末に対して、エタノール溶媒を用いた湿式ボールミルにて16時間混合して混合スラリーを得た。 Next, the SrCO 3 powder and the Ta 2 O 5 powder were mixed with a wet ball mill using an ethanol solvent for 16 hours to obtain a mixed slurry.

次に、前記混合スラリーを恒温乾燥機にて80℃で12時間乾燥し、混合物を得た。 Next, the mixed slurry was dried at 80 ° C. for 12 hours in a constant temperature dryer to obtain a mixture.

次に、前記混合物を乳鉢にて軽く解砕し、セラミック製のるつぼに入れた。そして、電気炉を用いて大気雰囲気中、1000℃で2時間熱処理し、仮焼物を得た。 Next, the mixture was lightly crushed in a mortar and placed in a ceramic crucible. Then, it was heat-treated at 1000 ° C. for 2 hours in an air atmosphere using an electric furnace to obtain a calcined product.

次に、前記仮焼物に対して、再びエタノール溶媒を用いた湿式ボールミルにて16時間混合して仮焼後スラリーを得た。 Next, the calcined product was mixed again with a wet ball mill using an ethanol solvent for 16 hours to obtain a slurry after calcining.

得られた仮焼後スラリーを恒温乾燥機にて80℃で12時間乾燥し、仮焼後混合物を得た。 The obtained post-pre-baked slurry was dried at 80 ° C. for 12 hours in a constant temperature dryer to obtain a post-pre-baked mixture.

前記仮焼後混合物に対し、バインダーとしてポリビニルアルコール溶液を添加し、混合して造粒物を得た。ポリビニルアルコール溶液の添加量は、粉砕物100重量%に対して0.6重量%とした。 A polyvinyl alcohol solution was added as a binder to the pre-baked mixture and mixed to obtain a granulated product. The amount of the polyvinyl alcohol solution added was 0.6% by weight with respect to 100% by weight of the pulverized product.

前記造粒物を直径約23mm、高さ約9mmの円柱形状に成形して成型物を得た。成形方法はCIP成形とした。 The granulated product was formed into a cylindrical shape having a diameter of about 23 mm and a height of about 9 mm to obtain a molded product. The molding method was CIP molding.

前記成型物に対し、電気炉を用いて大気雰囲気中、1400℃で2時間焼成して焼結物を得た。さらに、前記焼結物の上面および下面を鏡面研磨して高さ5mmの成膜ターゲットを得た。なお、得られた成膜ターゲットの相対密度が96~98%であることを確認した。 The molded product was fired at 1400 ° C. for 2 hours in an air atmosphere using an electric furnace to obtain a sintered product. Further, the upper surface and the lower surface of the sintered body were mirror-polished to obtain a film-forming target having a height of 5 mm. It was confirmed that the relative density of the obtained film forming target was 96 to 98%.

上記のようにして得られた成膜用ターゲットを成膜装置に設置し、成膜用ターゲットと対向するように、Si基板を設置した。当該Si基板としては表面に下部電極としてPt膜を有するものを用いた。 The film-forming target obtained as described above was installed in the film-forming apparatus, and the Si substrate was installed so as to face the film-forming target. As the Si substrate, a substrate having a Pt film as a lower electrode on the surface was used.

実施例1では、PLD法でパルスレーザーを周波数10Hzで照射し、厚さ500nmとなるように成膜した。このとき成膜室には窒素は導入せず、酸素のみを導入し、誘電体酸化膜を形成した。また、成膜中は、プラズマを0.5時間照射した。成膜温度は700℃とした。成膜直後に、窒素ラジカルを導入して窒化処理を30分行い、誘電体薄膜サンプルを得た。得られた誘電体薄膜サンプルについて以下とおり評価した。 In Example 1, a pulse laser was irradiated at a frequency of 10 Hz by the PLD method, and a film was formed so as to have a thickness of 500 nm. At this time, nitrogen was not introduced into the film forming chamber, but only oxygen was introduced to form a dielectric oxide film. Further, during the film formation, plasma was irradiated for 0.5 hours. The film formation temperature was 700 ° C. Immediately after the film formation, nitrogen radicals were introduced and nitriding treatment was performed for 30 minutes to obtain a dielectric thin film sample. The obtained dielectric thin film samples were evaluated as follows.

多結晶膜およびその配向性の評価
得られたサンプルについて、リガク社製全自動水平型多目的X線回折装置SmartLabを用いてXRD測定を行い、そのXRDパターンから特定の面に配向している配向膜か否かと、多結晶性を有するか否かを確認した。多結晶性を有し特定の面に対して配向している配向膜ではない場合は「良」、多結晶性を有さない場合および配向膜である場合には「不良」と評価した。また、得られた薄膜サンプルに含まれる酸窒化物における組成はULVAC―PHI, Inc.製PHI Quantera IITMを用いて光電子分光分析によって定量した。Arエッチングを行いながら、薄膜の深さ方向の組成を定量した。
Evaluation of polycrystal film and its orientation The obtained sample was subjected to XRD measurement using a fully automatic horizontal multipurpose X-ray diffractometer SmartLab manufactured by Rigaku Corporation, and the alignment film oriented to a specific surface from the XRD pattern. It was confirmed whether or not it had polycrystalline properties. It was evaluated as "good" when it was not an alignment film having polycrystallity and oriented with respect to a specific surface, and was evaluated as "poor" when it was not polycrystalline and it was an alignment film. The composition of the oxynitride contained in the obtained thin film sample is ULVAC-PHI, Inc. It was quantified by photoelectron spectroscopy using PHI Quantera II TM manufactured by PHI. The composition of the thin film in the depth direction was quantified while performing Ar etching.

窒素組成の変動率の測定
得られたサンプルについて、薄膜の表面から厚み方向に1/4の深さ位置において異なる5点における窒素組成(atm%)をX線光電子分光分析装置により測定し、その平均を算出した。薄膜の表面から厚み方向に1/2の深さ位置、および3/4の深さ位置においても同様に窒素組成(atm%)を測定し、それぞれ平均を算出した。それら平均から最大変動率を算出した。結果を表1に示す。
Measurement of fluctuation rate of nitrogen composition With respect to the obtained sample, the nitrogen composition (atm%) at 5 different points at a depth of 1/4 in the thickness direction from the surface of the thin film was measured by an X-ray photoelectron spectroscopy analyzer, and the measurement thereof was performed. The average was calculated. The nitrogen composition (atm%) was similarly measured at the depth position of 1/2 and the depth position of 3/4 in the thickness direction from the surface of the thin film, and the average was calculated for each. The maximum volatility was calculated from those averages. The results are shown in Table 1.

空隙の有無および柱状粒子の評価
得られたサンプルについて、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて薄膜断面の観察を行った。SEM画像より、1.2μm×1.5μmの3視野の観察視野内における、30nm以上の空隙の有無を確認した。また、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて得たTEM画像より、柱状の粒子の有無を確認した。さらに、柱状の粒子がある場合には、柱状の粒子が基板に対して交差する方向に延びているか否かを確認した。そして、TEM画像に基づいて、貫通している柱状粒子の比率を算出した。結果を表1に示す。また実施例1において得られたTEM画像を図3に示す。
Presence or absence of voids and evaluation of columnar particles The cross section of the thin film of the obtained sample was observed using a scanning electron microscope (SEM). From the SEM image, it was confirmed whether or not there was a void of 30 nm or more in the observation field of view of 3 fields of 1.2 μm × 1.5 μm. In addition, the presence or absence of columnar particles was confirmed from the TEM images obtained using a transmission electron microscope (TEM). Furthermore, if there were columnar particles, it was confirmed whether or not the columnar particles extended in the direction intersecting the substrate. Then, the ratio of the penetrating columnar particles was calculated based on the TEM image. The results are shown in Table 1. The TEM image obtained in Example 1 is shown in FIG.

誘電特性(tanδおよび比誘電率)の測定
LCRメータを用いて、電圧1V/rms、周波数1kHzにおいて試料の静電容量およびtanδを測定した。そして比誘電率を、薄膜の厚み、電極面積および静電容量に基づいて算出した。
Measurement of Dielectric Characteristics (tan δ and Relative Permittivity) Using an LCR meter, the capacitance and tan δ of the sample were measured at a voltage of 1 V / rms and a frequency of 1 kHz. Then, the relative permittivity was calculated based on the thickness of the thin film, the electrode area, and the capacitance.

結晶構造
XRD測定により、得られたサンプルの結晶構造を確認した。
Crystal structure The crystal structure of the obtained sample was confirmed by XRD measurement.

実施例2
実施例2では、PLD法で厚さ1000nmとなるように誘電体酸化膜を成膜した。また、成膜時に窒素ラジカルを導入して窒化処理を行ったが、成膜後には窒素ラジカルを導入しなかった。その他の条件は実施例1と同様にして誘電体薄膜サンプルを得た。実施例1と同様に評価した。結果を表1に示す。またTEM画像を図4に示す。
Example 2
In Example 2, a dielectric oxide film was formed so as to have a thickness of 1000 nm by the PLD method. In addition, nitrogen radicals were introduced during film formation to perform nitriding treatment, but nitrogen radicals were not introduced after film formation. A dielectric thin film sample was obtained in the same manner as in Example 1 under other conditions. It was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1. The TEM image is shown in FIG.

実施例3
実施例3では、PLD法で厚さ500nmとなるように誘電体酸化膜を成膜した。成膜温度は600℃とした。その他の条件は実施例1と同様にして誘電体薄膜サンプルを得た。実施例1と同様に評価した。結果を表1に示す。
Example 3
In Example 3, a dielectric oxide film was formed so as to have a thickness of 500 nm by the PLD method. The film formation temperature was 600 ° C. A dielectric thin film sample was obtained in the same manner as in Example 1 under other conditions. It was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.

実施例4
以下に示す以外は実施例1と同様にして誘電体薄膜サンプルを得た。すなわち、実施例4では、成膜用ターゲットとして用いるLaTi焼結体の原料として、La粉末およびTiO粉末を準備した。La/Tiのモル比が1となるようにLa粉末およびTiO粉末を秤量した。また、PLD法で厚さ500nmとなるように誘電体酸化膜を成膜した。実施例1と同様に評価した。結果を表1に示す。
Example 4
A dielectric thin film sample was obtained in the same manner as in Example 1 except as shown below. That is, in Example 4, La 2 O 3 powder and TiO 2 powder were prepared as raw materials for the La 2 Ti 2 O 7 sintered body used as a film forming target. The La 2 O 3 powder and the TiO 2 powder were weighed so that the molar ratio of La / Ti was 1. Further, a dielectric oxide film was formed so as to have a thickness of 500 nm by the PLD method. It was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.

実施例5
以下に示す以外は実施例1と同様にして誘電体薄膜サンプルを得た。すなわち、実施例5では、成膜用ターゲットとして用いる、Ba/Taのモル比が1である酸化物の焼結体の原料として、BaCO粉末およびTa粉末を準備した。Ba/Taのモル比が1となるようにBaCO粉末およびTa粉末を秤量した。また、PLD法で厚さ500nmとなるように誘電体酸化膜を成膜した。BaTaである組成物は存在しないため、ターゲット焼結体のBa/Taのモル比を1になるように調整しても、成膜条件によっては得られる薄膜のモル比はターゲット組成が転写され難い。そのため、成膜時の分圧等を調整し、Ba/Taのモル比が1となったものについて、実施例1と同様に評価した。結果を表1に示す。
Example 5
A dielectric thin film sample was obtained in the same manner as in Example 1 except as shown below. That is, in Example 5, BaCO 3 powder and Ta 2 O 5 powder were prepared as raw materials for the sintered body of the oxide having a Ba / Ta molar ratio of 1 used as the target for film formation. The Ba 2 CO 3 powder and the Ta 2 O 5 powder were weighed so that the Ba / Ta molar ratio was 1. Further, a dielectric oxide film was formed so as to have a thickness of 500 nm by the PLD method. Since there is no composition of Ba 2 Ta 2 O 7 , even if the molar ratio of Ba / Ta of the target sintered body is adjusted to 1, the molar ratio of the thin film obtained depending on the film forming conditions is the target. The composition is difficult to transfer. Therefore, the partial pressure at the time of film formation was adjusted, and the Ba / Ta molar ratio of 1 was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.

実施例6
実施例6では成膜温度を500℃とした他は、実施例1と同様にして誘電体薄膜サンプルを得た。実施例1と同様に評価した。結果を表1に示す。
Example 6
In Example 6, a dielectric thin film sample was obtained in the same manner as in Example 1 except that the film formation temperature was set to 500 ° C. It was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.

実施例7
実施例7では成膜温度を850℃とした他は、実施例1と同様にして誘電体薄膜サンプルを得た。実施例1と同様に評価した。結果を表1に示す。
Example 7
In Example 7, a dielectric thin film sample was obtained in the same manner as in Example 1 except that the film formation temperature was set to 850 ° C. It was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.

比較例1
比較例1では、成膜温度を400℃にした他は、実施例2と同様にして誘電体薄膜サンプルを得た。実施例1と同様に評価した。結果を表1に示す。
Comparative Example 1
In Comparative Example 1, a dielectric thin film sample was obtained in the same manner as in Example 2 except that the film formation temperature was set to 400 ° C. It was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.

比較例2
比較例2では、成膜温度を300℃にした他は、実験例2と同様にして誘電体薄膜サンプルを得た。実施例1と同様に評価した。結果を表1に示す。
Comparative Example 2
In Comparative Example 2, a dielectric thin film sample was obtained in the same manner as in Experimental Example 2, except that the film formation temperature was set to 300 ° C. It was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.

比較例3
比較例3では成膜温度を900℃とした他は、実施例1と同様にして誘電体薄膜サンプルを得た。実施例1と同様に評価した。結果を表1に示す。
Comparative Example 3
In Comparative Example 3, a dielectric thin film sample was obtained in the same manner as in Example 1 except that the film formation temperature was 900 ° C. It was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.

Figure 0007000882000001
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表1および図3、4のTEM画像より、実施例1~7では、空隙はなく、特定の結晶面方位に配向していない多結晶であり、しかも基板に対して交差する方向に延びている柱状の粒子で構成される誘電体薄膜サンプルが得られ、N組成の最大変動率が±55%以下であり、膜厚方向において均一であることを確認した。一方、比較例1の誘電体薄膜サンプルでは、空隙が観察され、柱状の粒子は観察されなかった。比較例2の薄膜サンプルでは、空隙は観察されなかったが、結晶構造を有しておらず、柱状の粒子も観察されなかった。また、比較例1および2において、窒素は検出されなかった。比較例3の薄膜サンプルでは、柱状の粒子は観察されず、N組成の最大変動率が±55%超であった。 From the TEM images of Tables 1 and FIGS. 3 and 4, in Examples 1 to 7, the polycrystal has no voids and is not oriented in a specific crystal plane orientation, and extends in a direction intersecting the substrate. A dielectric thin film sample composed of columnar particles was obtained, and it was confirmed that the maximum fluctuation rate of the N composition was ± 55 % or less and that it was uniform in the film thickness direction. On the other hand, in the dielectric thin film sample of Comparative Example 1, voids were observed and no columnar particles were observed. In the thin film sample of Comparative Example 2, no voids were observed, but no crystal structure was observed, and no columnar particles were observed. In addition, nitrogen was not detected in Comparative Examples 1 and 2. In the thin film sample of Comparative Example 3, no columnar particles were observed, and the maximum volatility of the N composition was more than ± 55% .

実施例8
実施例8では成膜時のプラズマ照射時間をより長くした他は、実施例1と同様にして誘電体薄膜サンプルを得た。実施例1と同様に評価した。結果を表2に示す。なお、結晶構造については、実施例1と比較して「ピークシフトなし」との結果が得られた。「ピークシフトなし」とは、X線回折により得られたパターンのピーク位置がシフトしていないことを意味し、窒素Nの含有状態に関わらず、実施例1と比較して結晶格子の大きさが変化していないことを示す。
Example 8
In Example 8, a dielectric thin film sample was obtained in the same manner as in Example 1 except that the plasma irradiation time at the time of film formation was made longer. It was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 2. As for the crystal structure, the result of "no peak shift" was obtained as compared with Example 1. “No peak shift” means that the peak position of the pattern obtained by X-ray diffraction is not shifted, and the size of the crystal lattice is larger than that of Example 1 regardless of the nitrogen N content. Indicates that has not changed.

実施例9
実施例9では成膜時のプラズマ照射時間をさらに長くした他は、実施例1と同様にして誘電体薄膜サンプルを得た。実施例1と同様に評価した。結果を表2に示す。なお、結晶構造については、実施例8と同様に、実施例1と比較して「ピークシフトなし」との結果が得られた。
Example 9
In Example 9, a dielectric thin film sample was obtained in the same manner as in Example 1 except that the plasma irradiation time at the time of film formation was further lengthened. It was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 2. As for the crystal structure, the result of "no peak shift" was obtained as compared with Example 1 as in Example 8.

実施例10、11
実施例10、11では、パルスレーザーの周波数および成膜雰囲気を変更した他は、実施例1と同様にして誘電体薄膜サンプルを得た。実施例1と同様に評価した。結果を表2に示す。なお、結晶構造については、実施例2と比較して「ピークシフトなし」との結果が得られた。すなわち、実施例10、11では、窒素Nの含有状態に関わらず、実施例2と比較して結晶格子の大きさが変化していないことがわかった。
Examples 10 and 11
In Examples 10 and 11, a dielectric thin film sample was obtained in the same manner as in Example 1 except that the frequency of the pulsed laser and the film forming atmosphere were changed. It was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 2. As for the crystal structure, the result of "no peak shift" was obtained as compared with Example 2. That is, it was found that in Examples 10 and 11, the size of the crystal lattice did not change as compared with Example 2 regardless of the nitrogen N content.

Figure 0007000882000002
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1・・・薄膜キャパシタ
11・・・基板
12・・・下部電極
13・・・誘電体薄膜
14・・・上部電極
15・・・中間層
X・・・柱状の粒子
1 ... Thin film capacitor 11 ... Substrate 12 ... Lower electrode 13 ... Dielectric thin film 14 ... Upper electrode 15 ... Intermediate layer X ... Columnar particles

Claims (5)

組成式AaBbOoNn(a+b+o+n=5)で表される酸窒化物から成る主組成を有する誘電体薄膜であって、
前記AはSr,Ba,Ca,La,Ce,Pr,Nd,Naのいずれか1つ以上であり、
前記BはTa,Nb,Ti,Wのいずれか1つ以上であり、
前記誘電体薄膜を構成する結晶粒子は、ある特定の結晶面方位に配向していない多結晶であり、しかも柱状の粒子で構成されることを特徴とする誘電体薄膜。
A dielectric thin film having a main composition composed of an oxynitride represented by the composition formula AaBbOoNn (a + b + o + n = 5).
The A is any one or more of Sr, Ba, Ca, La, Ce, Pr, Nd, and Na.
B is any one or more of Ta, Nb, Ti, and W, and is
The crystal particles constituting the dielectric thin film are polycrystals that are not oriented in a specific crystal plane orientation, and are characterized by being composed of columnar particles.
前記柱状の粒子は、前記誘電体薄膜が形成される基板に対して交差する方向に延びている請求項1に記載の誘電体薄膜。 The dielectric thin film according to claim 1, wherein the columnar particles extend in a direction intersecting the substrate on which the dielectric thin film is formed. 前記誘電体薄膜の表面から裏面まで貫通している前記柱状の粒子の構成比率が、30%以上である請求項2に記載の誘電体薄膜。 The dielectric thin film according to claim 2, wherein the composition ratio of the columnar particles penetrating from the front surface to the back surface of the dielectric thin film is 30% or more. 前記誘電体薄膜の表面から厚み方向に1/4の深さ位置と、1/2の深さ位置と、3/4の深さ位置とで、窒素の組成比率を測定した場合に、これらの3つの位置における窒素組成の変動率の最大が±55%以内である請求項1~3のいずれかに記載の誘電体薄膜。 When the nitrogen composition ratio is measured at the depth position of 1/4, the depth position of 1/2, and the depth position of 3/4 in the thickness direction from the surface of the dielectric thin film, these The dielectric thin film according to any one of claims 1 to 3, wherein the maximum fluctuation rate of the nitrogen composition at the three positions is within ± 55%. 請求項1~のいずれかに記載の誘電体薄膜を有する容量素子。 The capacitive element having the dielectric thin film according to any one of claims 1 to 4 .
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