JP7192383B2 - Metal oxynitride thin film, method for producing metal oxynitride thin film, and capacitive element - Google Patents

Metal oxynitride thin film, method for producing metal oxynitride thin film, and capacitive element Download PDF

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本発明は、金属酸窒化物薄膜および金属酸窒化物薄膜の製造方法、並びに、容量素子に関する。特に、誘電特性が良好でありながら絶縁抵抗率が高い金属酸窒化物薄膜に関する。 The present invention relates to a metal oxynitride thin film, a method for manufacturing a metal oxynitride thin film, and a capacitive element. In particular, it relates to a metal oxynitride thin film having good dielectric properties and high insulation resistivity.

デジタル機器の高性能化に伴い、誘電特性を利用する電子部品を構成する誘電体には、高いキュリー温度(Tc)を示し、かつ高誘電率を有することが求められている。しかしながら、これらは同時に達成することは難しい。たとえば、優れた誘電特性を示すチタン酸バリウムは、その高い誘電率を発現するために、構造相転移を利用しているため、Tcは低い。 As the performance of digital equipment becomes higher, the dielectrics constituting electronic parts that utilize dielectric properties are required to exhibit a high Curie temperature (Tc) and a high dielectric constant. However, it is difficult to achieve these simultaneously. For example, barium titanate, which exhibits excellent dielectric properties, uses a structural phase transition to develop its high dielectric constant, and therefore has a low Tc.

SrTaONに代表されるペロブスカイト構造を有する金属酸窒化物は、その結晶構造に起因して高いTcを示す。また、このような金属酸窒化物は、構造相転移を利用して誘電特性を高めている訳ではないので、高いTcと高誘電率とを両立できると言われているが、実用化はされていない。金属酸窒化物を製造するために、金属酸化物に窒素(N)を導入すると、窒素(N)サイトおよび酸素(O)サイトの空孔が生じやすい。その結果、得られる金属酸窒化物の絶縁特性が低下するので、バルク状の絶縁体すなわち誘電体を作製することが困難であるためである。 A metal oxynitride having a perovskite structure represented by SrTaO 2 N exhibits a high Tc due to its crystal structure. In addition, since such metal oxynitrides do not use structural phase transition to enhance dielectric properties, it is said that both a high Tc and a high dielectric constant can be achieved at the same time, but they have not been put to practical use. not When nitrogen (N) is introduced into a metal oxide to produce a metal oxynitride, nitrogen (N) site and oxygen (O) site vacancies are likely to occur. As a result, the insulation properties of the obtained metal oxynitride are deteriorated, making it difficult to fabricate a bulk insulator, ie, a dielectric.

たとえば、特許文献1には、ペロブスカイト構造を有する金属酸窒化物ABONの粉末を作製する方法が記載されている。しかしながら、特許文献1には、粉末を所定形状に成形して成形体を得ることは記載されているものの、その成形体を焼成して実際に焼結体を得ることは何ら開示されていない。 For example, Patent Document 1 describes a method for producing a powder of metal oxynitride ABO 2 N having a perovskite structure. However, although Patent Document 1 describes obtaining a green body by molding powder into a predetermined shape, it does not disclose actually obtaining a sintered body by firing the green body.

一方、特許文献2には、ペロブスカイト構造を有する金属酸窒化物から構成される誘電体薄膜が記載されている。この金属酸窒化物は、組成式ABOで表され(特許文献2では、MaMbOで表される)、組成式中のx、yおよびzが所定の範囲内である。特に、金属酸窒化物中の窒素量を示すyは0.005~0.700の範囲内であり、化学量論組成におけるyの値である1よりもかなり小さい範囲である。 On the other hand, Patent Document 2 describes a dielectric thin film composed of a metal oxynitride having a perovskite structure. This metal oxynitride is represented by a compositional formula AzBOxNy ( represented by MazMbOxNy in Patent Document 2), and x , y and z in the compositional formula are within a predetermined range. is. In particular, y, which indicates the amount of nitrogen in the metal oxynitride, is in the range of 0.005 to 0.700, which is considerably smaller than 1, which is the value of y in the stoichiometric composition.

特開2013-1625号公報JP 2013-1625 A 国際公開第2017/057745号WO2017/057745

特許文献2では、組成式ABOにおいて、ペロブスカイト構造を維持しながら、窒素量を減らして、薄膜の絶縁特性を確保している。しかしながら、ペロブスカイト構造を有する金属酸窒化物(ABON)が発現する高い誘電特性は、ABOにおけるOの一部を、Oよりも共有結合性の強いNで置換することにより生じる分極に起因している。したがって、窒素量を減らすと、絶縁特性の向上には有効であるが、誘電特性(たとえば、誘電率)の低下を招いてしまうという問題がある。 In Patent Document 2, in the composition formula AzBOxNy , the amount of nitrogen is reduced while maintaining the perovskite structure, thereby ensuring the insulating properties of the thin film. However, the high dielectric properties exhibited by metal oxynitrides (ABO 2 N) with a perovskite structure are due to the polarization caused by substituting some of the O in ABO 3 with N, which has a stronger covalent bond than O. doing. Therefore, reducing the amount of nitrogen is effective in improving insulating properties, but there is a problem in that it invites a decrease in dielectric properties (for example, permittivity).

そこで、本発明者らは、ABONとして、Aサイト原子がSrであり、Bサイト原子がTaであるSrTaONに対して、第一原理計算に基づく電子状態の計算を行った。SrTaONの結晶構造を図1に示す。図1に示すように、SrTaON10は、酸素原子11と窒素原子12とから構成される八面体15の中心にタンタル原子13が位置しており、八面体15の間隙にストロンチウム原子14が充填されている構造を有している。電子状態の計算結果から、結晶構造における電子の存在確率を電子雲として描画した。得られた電子雲の分布を図2に示す。図2より、本発明者らは、TaとNとの間において電子雲がつながりやすいことに着目した。 Therefore, the present inventors calculated the electronic state of ABO 2 N based on the first-principles calculation for SrTaO 2 N in which the A-site atom is Sr and the B-site atom is Ta. The crystal structure of SrTaO 2 N is shown in FIG. As shown in FIG. 1, in SrTaO 2 N10, a tantalum atom 13 is positioned at the center of an octahedron 15 composed of oxygen atoms 11 and nitrogen atoms 12, and strontium atoms 14 fill the gaps between the octahedrons 15. It has a structure that is Based on the electronic state calculation results, the existence probability of electrons in the crystal structure was drawn as an electron cloud. The distribution of the obtained electron cloud is shown in FIG. From FIG. 2, the present inventors focused on the fact that electron clouds are likely to connect between Ta and N. FIG.

電子雲は、電子が存在する確率を示しているので、TaとNとの間において電子雲がつながっているということは、TaとNとの結合に比較的多くの電子が存在する傾向にあることを示唆している。そのため、SrTaONに電圧を印加すると、TaとNとの結合間を通じて電子が移動しやすい、すなわち、電流が流れやすい。このようなTaとNとの結合間における電子の移動経路の存在が、絶縁特性の低下に寄与していると考えられる。 Since the electron cloud indicates the probability that electrons exist, the fact that the electron cloud is connected between Ta and N means that there tends to be a relatively large number of electrons in the bond between Ta and N. suggests that Therefore, when a voltage is applied to SrTaO 2 N, electrons easily move through the bonds between Ta and N, that is, current easily flows. It is considered that the presence of such an electron transfer path between the Ta and N bonds contributes to the deterioration of the insulating properties.

絶縁特性を向上させるには、上記のような電子の移動経路をなるべく減らすことが有効である。しかしながら、ABONにおいて、陰イオンのサイトは酸素および窒素のどちらも占有することができるため、上記のような金属と窒素との結合(電子の移動経路)は無指向的(無秩序)に存在している。そのため、このような電子経路を減らすために、特許文献2に記載されているような手法を採用せざるを得ないが、上述したように、誘電特性(たとえば、誘電率)の低下を招いてしまうという問題がある。 In order to improve the insulating properties, it is effective to reduce the above-described electron transfer paths as much as possible. However, in ABO 2 N, since both oxygen and nitrogen can occupy anion sites, the bond (electron transfer path) between the metal and nitrogen as described above exists non-directionally (disorderly). doing. Therefore, in order to reduce such electron paths, there is no choice but to adopt the technique described in Patent Document 2, but as described above, this leads to a decrease in dielectric properties (for example, permittivity). There is a problem of storage.

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、誘電特性が良好でありながら絶縁特性が高い金属酸窒化物薄膜およびその製造方法並びに当該金属酸窒化物薄膜を備える容量素子を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a metal oxynitride thin film having good dielectric properties and high insulating properties, a method for producing the same, and a capacitive element comprising the metal oxynitride thin film. and

本発明者らは、金属と窒素との結合間に形成されやすい電子の移動経路の一部に指向性を与える、すなわち、電子の移動経路の一部を特定の方向において切断することにより、電子の移動を特定の方向において阻害することができることを見出した。その結果、上記の特定の方向に向かって電子が移動するには、電子の移動経路が切断されていない箇所を通る必要がある。このようにすることにより、電子の迂回距離が長くなり、絶縁特性が向上するのではないかとの考えに至った。 The present inventors have found that by giving directivity to a part of the electron transfer path that is likely to be formed between the bond between metal and nitrogen, that is, by cutting a part of the electron transfer path in a specific direction, the electron movement can be inhibited in specific directions. As a result, in order for the electrons to move in the above-mentioned specific direction, it is necessary to pass through a point where the electron movement path is not cut. By doing so, the detour distance of electrons is increased, leading to the idea that the insulation characteristics are improved.

上記目的を達成するため、本発明の第1の態様は、
[1]ペロブスカイト構造を有する金属酸窒化物薄膜であって、
前記金属酸窒化物薄膜が、組成式A1+αBOx+αで表される組成を有し、αが0より大きく0.300以下、xが2.450より大きく、yが0.300以上0.700以下であり、
ペロブスカイト構造のc軸に垂直な面に平行な層状構造であって、一般式AOで表される組成を有するAO構造を有し、
AO構造は、ペロブスカイト構造中に、ペロブスカイト構造と結合して組み込まれていることを特徴とする金属酸窒化物薄膜である。
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is
[1] A metal oxynitride thin film having a perovskite structure,
The metal oxynitride thin film has a composition represented by the composition formula A1 + αBOx + αNy , where α is greater than 0 and 0.300 or less, x is greater than 2.450, and y is 0.300 or more and 0 .700 or less,
A layered structure parallel to a plane perpendicular to the c-axis of the perovskite structure, having an AO structure having a composition represented by the general formula AO,
The AO structure is a metal oxynitride thin film characterized by being embedded in a perovskite structure in combination with the perovskite structure.

[2]AO構造が、ペロブスカイト構造中に点在していることを特徴とする[1]に記載の金属酸窒化物薄膜である。 [2] The metal oxynitride thin film according to [1], wherein the AO structure is scattered in the perovskite structure.

[3]Aは、Ba、Sr、Ca、LaおよびNdからなる群から選ばれる1種以上であり、Bは、Ta、Nb、WおよびTiからなる群から選ばれる1種以上であることを特徴とする[1]または[2]に記載の金属酸窒化物薄膜である。 [3] A is one or more selected from the group consisting of Ba, Sr, Ca, La and Nd, and B is one or more selected from the group consisting of Ta, Nb, W and Ti. A metal oxynitride thin film according to [1] or [2].

[4]電界強度が0.5Vrms/μm、周波数が1kHzで測定した金属酸窒化物薄膜の比誘電率と、電界強度が0.5V/μmで測定した金属酸窒化物薄膜の絶縁抵抗率との積が2.0×1013Ωcm以上であることを特徴とする[1]から[3]のいずれかに記載の金属酸窒化物薄膜である。 [4] The dielectric constant of the metal oxynitride thin film measured at an electric field strength of 0.5 Vrms/μm and the frequency of 1 kHz, and the insulation resistivity of the metal oxynitride thin film measured at an electric field strength of 0.5 V/μm The metal oxynitride thin film according to any one of [1] to [3], wherein the product of is 2.0×10 13 Ωcm or more.

本発明の第2の態様は、
[5]成膜用原料を用いて、ペロブスカイト構造を有する金属酸窒化物を堆積させて金属酸窒化物薄膜を形成する工程を有し、
成膜用原料として、ペロブスカイト構造のBサイト元素のモル量に対するペロブスカイト構造のAサイト元素のモル量の比が1.00より大きい原料を用い、
金属酸窒化物薄膜を形成する工程において、雰囲気ガスとして、窒素ガスおよび酸素ガスを含む混合ガスを用い、窒素ガスが示す分圧に対する酸素ガスが示す分圧の比が0.2以上であることを特徴とする金属酸窒化物薄膜の製造方法である。
A second aspect of the present invention is
[5] forming a metal oxynitride thin film by depositing a metal oxynitride having a perovskite structure using a film-forming raw material;
As a raw material for film formation, a raw material is used in which the ratio of the molar amount of the A-site element of the perovskite structure to the molar amount of the B-site element of the perovskite structure is greater than 1.00,
In the step of forming the metal oxynitride thin film, a mixed gas containing nitrogen gas and oxygen gas is used as the atmosphere gas, and the ratio of the partial pressure of the oxygen gas to the partial pressure of the nitrogen gas is 0.2 or more. A method for producing a metal oxynitride thin film characterized by

[6]金属酸窒化物薄膜が、[1]から[4]のいずれかに記載の金属酸窒化物薄膜であることを特徴とする[5]に記載の金属酸窒化物薄膜の製造方法である。 [6] The method for producing a metal oxynitride thin film according to [5], wherein the metal oxynitride thin film is the metal oxynitride thin film according to any one of [1] to [4]. be.

本発明の第3の態様は、
[7][1]から[4]のいずれかに記載の金属酸窒化物薄膜を備えることを特徴とする容量素子である。
A third aspect of the present invention is
[7] A capacitor comprising the metal oxynitride thin film according to any one of [1] to [4].

本発明によれば、誘電特性が良好でありながら絶縁抵抗率が高い金属酸窒化物薄膜およびその製造方法並びに当該金属酸窒化物薄膜を備える容量素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a metal oxynitride thin film having excellent dielectric properties and high insulation resistivity, a method for producing the same, and a capacitive element comprising the metal oxynitride thin film.

図1は、SrTaONの結晶構造を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing the crystal structure of SrTaO 2 N. FIG. 図2は、第一原理計算に基づく計算結果から得られるSrTaONの電子雲の分布を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the distribution of the electron cloud of SrTaO 2 N obtained from the calculation results based on the first-principles calculation. 図3は、本実施形態に係る容量素子の一例としての薄膜キャパシタの断面模式図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a thin film capacitor as an example of the capacitive element according to this embodiment. 図4Aは、SrTaONにおいて、Nがcis配置であるTaO八面体を示す模式図である。FIG. 4A is a schematic diagram showing a TaO 4 N dioctahedron in SrTaO 2 N in which N is in the cis configuration. 図4Bは、SrTaONにおいて、Nがtrans配置であるTaO八面体を示す模式図である。FIG. 4B is a schematic diagram showing a TaO 4 N dioctahedron in SrTaO 2 N in which N is in the trans configuration. 図5は、SrTaONの結晶構造を示す斜視図である。FIG. 5 is a perspective view showing the crystal structure of Sr 2 TaO 3 N. 図6は、第一原理計算に基づく計算結果から得られるSrTaONの電子雲の分布を示す模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing the distribution of the electron cloud of Sr 2 TaO 3 N obtained from the calculation results based on the first-principles calculation.

以下、本発明を、具体的な実施形態に基づき、以下の順序で詳細に説明する。
1.薄膜キャパシタ
1.1.薄膜キャパシタの全体構成
1.2.金属酸窒化物薄膜
1.2.1.金属酸窒化物の組成
1.2.2.ペロブスカイト構造
1.2.3.AO構造
2.薄膜キャパシタの製造方法
2.1.金属酸窒化物薄膜の製造方法
2.1.1.成膜用原料
2.1.2.薄膜形成工程
3.本実施形態における効果
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail in the following order based on specific embodiments.
1. Thin film capacitor 1.1. Overall Configuration of Thin Film Capacitor 1.2. Metal oxynitride thin film 1.2.1. Composition of Metal Oxynitride 1.2.2. Perovskite structure 1.2.3. AO structure2. Manufacturing method of thin film capacitor 2.1. Manufacturing method of metal oxynitride thin film 2.1.1. Raw material for film formation 2.1.2. Thin film formation process3. Effect of this embodiment

(1.薄膜キャパシタ)
本実施形態では、容量素子の一例として、本実施形態に係る金属酸窒化物薄膜を誘電体として有する薄膜キャパシタについて説明する。薄膜キャパシタ以外の容量素子としては、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、トランジスタのゲート材料、強誘電体メモリ等が例示される。
(1. Thin film capacitor)
In this embodiment, a thin film capacitor having the metal oxynitride thin film according to this embodiment as a dielectric will be described as an example of a capacitive element. Examples of capacitive elements other than thin film capacitors include thermistors, filters, diplexers, resonators, oscillators, antennas, piezoelectric elements, gate materials for transistors, and ferroelectric memories.

(1.1.薄膜キャパシタの全体構成)
図3に示すように、本実施形態に係る容量素子の一例としての薄膜キャパシタ1は、基板51と、下部電極52と、金属酸窒化物薄膜53と、上部電極54とがこの順序で積層された構成を有している。
(1.1. Overall Configuration of Thin Film Capacitor)
As shown in FIG. 3, a thin film capacitor 1 as an example of a capacitive element according to the present embodiment has a substrate 51, a lower electrode 52, a metal oxynitride thin film 53, and an upper electrode 54 laminated in this order. configuration.

下部電極52と金属酸窒化物薄膜53と上部電極54とはキャパシタ部を形成しており、下部電極52および上部電極54が、図示しない外部回路に接続されて電圧が印加されると、誘電体である金属酸窒化物薄膜53が所定の静電容量を示し、キャパシタとしての機能を発揮することができる。 The lower electrode 52, the metal oxynitride thin film 53, and the upper electrode 54 form a capacitor portion. When the lower electrode 52 and the upper electrode 54 are connected to an external circuit (not shown) and a voltage is applied, the dielectric The metal oxynitride thin film 53 has a predetermined capacitance and can function as a capacitor.

図3に示す基板51は、その上に形成される下部電極52、金属酸窒化物薄膜53および上部電極54を好適に形成できる材料で構成されていれば特に限定されない。このような材料としては、単結晶、アモルファス材料等が例示され、本実施形態では、Si単結晶基板を用いることが好ましい。 The substrate 51 shown in FIG. 3 is not particularly limited as long as it is made of a material that can suitably form the lower electrode 52, the metal oxynitride thin film 53 and the upper electrode 54 formed thereon. Examples of such materials include single crystals, amorphous materials, etc. In this embodiment, it is preferable to use a Si single crystal substrate.

図3に示すように、下部電極52および上部電極54は、薄膜状に形成され、金属酸窒化物薄膜53を挟み込んでいる。下部電極52および上部電極54を構成する材料は、導電性を有する材料であれば特に制限されない。たとえば、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)等の金属、または、それらの合金等が例示される。 As shown in FIG. 3, the lower electrode 52 and the upper electrode 54 are formed in thin films and sandwich the metal oxynitride thin film 53 . The material forming the lower electrode 52 and the upper electrode 54 is not particularly limited as long as it is a conductive material. For example, metals such as platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), iridium (Ir), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), nickel (Ni), Alternatively, alloys thereof and the like are exemplified.

(1.2.金属酸窒化物薄膜)
本実施形態に係る金属酸窒化物薄膜は、後述するが、所定の組成およびペロブスカイト構造を有する金属酸窒化物から構成されている。
(1.2. Metal oxynitride thin film)
The metal oxynitride thin film according to this embodiment is composed of a metal oxynitride having a predetermined composition and a perovskite structure, as will be described later.

金属酸窒化物薄膜は、原料粉末を成形した成形体、または、原料粉末を含むスラリー等の塗布により形成された成形体を焼成して得られる焼結体から構成されるのではなく、公知の薄膜成膜法により形成された薄膜状の誘電体堆積膜であることが好ましい。なお、本実施形態では、金属酸窒化物薄膜は結晶質である。 The metal oxynitride thin film is not composed of a compact obtained by molding a raw material powder or a sintered compact obtained by firing a compact formed by applying a slurry or the like containing a raw material powder. It is preferably a thin dielectric deposited film formed by a thin film deposition method. In this embodiment, the metal oxynitride thin film is crystalline.

金属酸窒化物薄膜の厚みは特に限定されず、所望の特性、用途等に応じて任意に設定することができる。本実施形態では、厚みは、好ましくは10nm以上2μm以下である。 The thickness of the metal oxynitride thin film is not particularly limited, and can be arbitrarily set according to desired properties, applications, and the like. In this embodiment, the thickness is preferably 10 nm or more and 2 μm or less.

(1.2.1.金属酸窒化物の組成)
本実施形態に係る金属酸窒化物薄膜を構成する金属酸窒化物の組成は、組成式A1+αBOx+αで表される。組成式中のAは、ペロブスカイト構造およびAO構造のAサイトを占めるAサイト原子を表し、組成式中のBは、ペロブスカイト構造のBサイトを占めるBサイト原子を表す。
(1.2.1. Composition of metal oxynitride)
The composition of the metal oxynitride constituting the metal oxynitride thin film according to this embodiment is represented by the composition formula A 1 + αBO x+αN y . A in the composition formula represents an A-site atom that occupies the A-site of the perovskite structure and the AO structure, and B in the composition formula represents a B-site atom that occupies the B-site of the perovskite structure.

ペロブスカイト構造において、比較的イオン半径の大きい元素、たとえば、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、ランタノイド等はAサイトを占める傾向にあり、比較的イオン半径の小さい元素、たとえば、遷移金属元素等はBサイトを占める傾向にある。本実施形態では、Aは、Ba、Sr、Ca、LaおよびNdからなる群から選ばれる1種以上であることが好ましい。また、Bは、Ta、Nb、WおよびTiからなる群から選ばれる1種以上であることが好ましい。特に、AがSr、BがTaであることが好ましい。 In the perovskite structure, elements with relatively large ionic radii, such as alkali metal elements, alkaline earth metal elements, and lanthanides, tend to occupy the A sites, while elements with relatively small ionic radii, such as transition metal elements, tend to occupy the A sites. It tends to occupy the B site. In this embodiment, A is preferably one or more selected from the group consisting of Ba, Sr, Ca, La and Nd. Also, B is preferably one or more selected from the group consisting of Ta, Nb, W and Ti. In particular, it is preferable that A is Sr and B is Ta.

組成式から明らかなように、当該金属酸窒化物は、ABOで表される組成に対して、AおよびOがαだけ過剰な組成を有している。したがって、上記の組成式は、ペロブスカイト構造を有するABOに対し、AOをα添加した組成であるということができる。さらに、特定の条件において、AおよびOが過剰に含まれることにより、金属酸窒化物中に後述するAO構造が形成される。このAO構造は、ペロブスカイト構造に組み込まれている。本実施形態では、特定の条件とは、当該金属酸窒化物から構成される薄膜の成膜条件である。Oが過剰でない状況下、例えばOをチャンバー内に導入しない雰囲気下での成膜において、Aサイト成分が過剰となるように金属酸窒化物の組成を調整して薄膜を形成したとしてもAサイト成分は結晶粒外に排出されてしまう。この現象は第一原理計算による計算結果にも対応する現象である。すなわち、第一原理計算によれば、当該金属酸窒化物におけるOもしくはNの空きサイトはAサイト成分が欠損することによって補償されることが最も安定だからである。 As is clear from the compositional formula, the metal oxynitride has a composition in which A and O are excessive by α with respect to the composition represented by ABO x N y . Therefore, the above composition formula can be said to be a composition obtained by adding AO to ABO x N y having a perovskite structure. Furthermore, when A and O are excessively contained under certain conditions, an AO structure, which will be described later, is formed in the metal oxynitride. This AO structure is incorporated into the perovskite structure. In this embodiment, the specific conditions are conditions for forming a thin film composed of the metal oxynitride. Under conditions where O is not excessive, for example, in film formation in an atmosphere where O is not introduced into the chamber, even if a thin film is formed by adjusting the composition of the metal oxynitride so that the A site component is excessive, the A site Ingredients are expelled outside the crystal grains. This phenomenon is also a phenomenon corresponding to the calculation results of the first-principles calculation. This is because, according to the first-principles calculation, it is most stable that the O or N vacant site in the metal oxynitride is compensated for by the lack of the A site component.

組成式中の1+αは、金属酸窒化物に含まれるBサイト原子量に対するAサイト原子量の比である。すなわち、1+αは、本実施形態に係る金属酸窒化物において、Aサイト原子が、Bサイト原子よりもαだけ過剰に含まれていることを示している。 1+α in the composition formula is the ratio of the A-site atomic weight to the B-site atomic weight contained in the metal oxynitride. That is, 1+α indicates that the A-site atoms are included in the metal oxynitride according to the present embodiment in excess of the B-site atoms by α.

一方、本実施形態に係る金属酸窒化物中において、この過剰なAサイト原子は、酸素(O)とともにAO構造を形成する。したがって、αは、金属酸窒化物中のAO構造中に存在するAサイト原子および酸素の含有量を示している。本実施形態では、αは0より大きく、0.010以上であることが好ましい。また、αは0.300以下であることが好ましく、0.200以下であることがより好ましい。αが大きすぎると、AO構造がペロブスカイト構造中に組み込まれず、ペロブスカイト構造とは異なる相として析出する傾向にあり、好ましくない。 On the other hand, in the metal oxynitride according to this embodiment, the excess A-site atoms form an AO structure together with oxygen (O). Therefore, α indicates the content of A-site atoms and oxygen present in the AO structure in the metal oxynitride. In this embodiment, α is preferably greater than 0 and equal to or greater than 0.010. Also, α is preferably 0.300 or less, more preferably 0.200 or less. If α is too large, the AO structure will not be incorporated into the perovskite structure and will tend to precipitate as a phase different from the perovskite structure, which is undesirable.

組成式中のx+αは、金属酸窒化物に含まれる酸素の含有量を示している。本実施形態では、x+αは2.450より大きく、2.600以上であることが好ましい。また、x+αは3.350以下であることが好ましく、2.900以下であることがより好ましい。αは、上述したように、AO構造に含まれる酸素の含有量を示しているので、xは、ペロブスカイト構造に含まれる酸素の含有量を示していることになる。なお、xの範囲は、後述するyとの関係により決まる。 x+α in the composition formula indicates the content of oxygen contained in the metal oxynitride. In this embodiment, x+α is greater than 2.450 and preferably equal to or greater than 2.600. Also, x+α is preferably 3.350 or less, more preferably 2.900 or less. Since α indicates the content of oxygen contained in the AO structure as described above, x indicates the content of oxygen contained in the perovskite structure. Note that the range of x is determined by the relationship with y, which will be described later.

組成式中のyは、金属酸窒化物に含まれる窒素の含有量を示している。本実施形態では、yは0.700以下であり、0.600以下であることが好ましい。また、yは0.300以上であることが好ましく、0.400以上であることがより好ましい。本実施形態では、窒素の含有量を化学量論比である1よりもかなり少なくしつつ、高い誘電特性と良好な絶縁特性とを両立することができる。 y in the composition formula indicates the content of nitrogen contained in the metal oxynitride. In this embodiment, y is 0.700 or less, preferably 0.600 or less. Moreover, y is preferably 0.300 or more, more preferably 0.400 or more. In this embodiment, it is possible to achieve both high dielectric properties and good insulating properties while keeping the nitrogen content considerably below the stoichiometric ratio of 1.

本実施形態に係る金属酸窒化物薄膜の組成は、公知の方法により測定することができる。本実施形態では、X線光電子分光法(X-ray Photoelectron Spectroscopy:XPS)により、金属酸窒化物薄膜の組成を測定する。XPSは、試料表面(表面から数nmの深さ領域)の元素情報およびその結合状態の情報を取得する表面分析法であるので、本実施形態では、試料を深さ方向に削るスパッタリングとXPS測定とを交互に行い、試料内部の情報を含む組成分析を行う。 The composition of the metal oxynitride thin film according to this embodiment can be measured by a known method. In this embodiment, the composition of the metal oxynitride thin film is measured by X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). XPS is a surface analysis method for obtaining elemental information and bonding state information on the sample surface (a depth region of several nm from the surface). are performed alternately to perform composition analysis including information on the inside of the sample.

(1.2.2.ペロブスカイト構造)
本実施形態に係る金属酸窒化物薄膜はペロブスカイト構造から構成される主相を有している。図1に示すように、ペロブスカイト構造においては、陰イオン(11,12)が6つの頂点を占め、中心にBサイト原子13が存在する八面体15が頂点を互いに共有して3次元ネットワークを構成しており、このネットワークの間隙にAサイト原子14が配置されている。本実施形態に係る金属酸窒化物薄膜の組成を、組成式A1+αBOx+αで表した場合、このペロブスカイト構造中に存在する各元素は、組成式ABOで表すことができる。すなわち、ペロブスカイト構造におけるO量およびN量は化学量論組成ではない。以下では、説明を簡略化するために、本実施形態で規定する範囲からは外れているが、ペロブスカイト構造の組成がABONである場合について説明する。
(1.2.2. Perovskite structure)
The metal oxynitride thin film according to this embodiment has a main phase composed of a perovskite structure. As shown in FIG. 1, in the perovskite structure, anions (11, 12) occupy six vertices, and octahedra 15 having B-site atoms 13 at the center share vertices to form a three-dimensional network. , and A-site atoms 14 are arranged in the gaps of this network. When the composition of the metal oxynitride thin film according to this embodiment is represented by the composition formula A1 + αBOx + αNy , each element present in the perovskite structure can be represented by the composition formula ABOxNy . That is, the amounts of O and N in the perovskite structure are not stoichiometric. In the following, in order to simplify the explanation, the case where the composition of the perovskite structure is ABO 2 N will be explained, although it is out of the range defined in this embodiment.

この場合、陰イオンは、OとNとの組成比に応じて配分されるので、上記の八面体はBO八面体である。すなわち、BO八面体において、陰イオンが占める6つの頂点のうち、2つの頂点をNが占める。 In this case, since anions are distributed according to the composition ratio of O and N, the above octahedron is a BO 4 N 2 octahedron. That is, N occupies two of the six vertices occupied by anions in the BO 4 N dioctahedron .

このとき、BO八面体では、図4Aに示すように、2個の窒素(N)12が互いに隣り合う配置(cis配置)と、図4Bに示すように、2個の窒素(N)12が互いに隣り合わない配置(trans配置)と、がある。通常、cis配置の方がエネルギー的に安定であるため、薄膜全体としては、trans配置であるBO八面体はほとんど存在せず、cis配置であるBO八面体が優位である。したがって、本実施形態においても、BO八面体におけるNの配置はcis配置が優位である。 At this time, in the BO 4 N 2 octahedron, as shown in FIG. 4A, two nitrogen (N) 12 are arranged adjacent to each other (cis arrangement), and as shown in FIG. ) 12 are not adjacent to each other (trans configuration). Since the cis configuration is usually more stable in terms of energy, the BO 4 N 2 octahedron with the trans configuration is almost absent in the entire thin film, and the BO 4 N 2 octahedron with the cis configuration is dominant. . Therefore, also in the present embodiment, the cis configuration is dominant in the configuration of N in the BO 4 N dioctahedron .

Nがcis配置であるBO八面体が頂点を共有して連なる場合、BとOとの結合長さと、BとNとの結合長さとの違いに起因して、BO八面体が軸から傾いた状態でネットワークを構成する。このような傾きが生じることにより、局所的な分極が生じると考えられ、この分極に起因して、ペロブスカイト構造を有する金属酸窒化物は優れた誘電特性を有している。 When BO 4 N 2 octahedra in which N is in the cis configuration are linked with a shared vertex, the difference between the bond length between B and O and between B and N causes the BO 4 N 2 octahedron to Configure the network with the facepiece tilted from the axis. It is believed that the occurrence of such a tilt causes local polarization, and due to this polarization, metal oxynitrides having a perovskite structure have excellent dielectric properties.

しかしながら、AがSr、BがTaである場合、第一原理計算に基づく図2に示すSrTaONの電子雲の分布から明らかなように、電子の移動経路となり得るTaとNとの結合(Ta-N鎖)が各方向に存在する。その結果、バルク状のSrTaONに高い電圧を印加した場合、Ta-N鎖同士が3次元的に導通して、電流が流れやすくなり、良好な絶縁特性(絶縁抵抗率)が得られなくなる。誘電特性は、良好な絶縁特性が得られていること(誘電体であること)を前提とする特性なので、絶縁特性が低い材料はそもそも誘電体であるとは言えず、優れた誘電特性を発揮することができない。そこで、本実施形態では、良好な絶縁特性を得るために、ペロブスカイト構造に、以下で説明するAO構造を導入する。 However, when A is Sr and B is Ta, as is clear from the electron cloud distribution of SrTaO 2 N shown in FIG. Ta--N chains) are present in each direction. As a result, when a high voltage is applied to bulk SrTaO 2 N, the Ta—N chains become three-dimensionally conductive, making it easier for current to flow, making it impossible to obtain good insulation characteristics (insulation resistivity). . Dielectric properties are based on the assumption that good insulating properties have been obtained (that is, they are dielectrics), so a material with low insulating properties cannot be said to be a dielectric in the first place, and exhibits excellent dielectric properties. Can not do it. Therefore, in the present embodiment, an AO structure, which will be described below, is introduced into the perovskite structure in order to obtain good insulating properties.

(1.2.3.AO構造)
金属酸窒化物薄膜において、AO構造は、薄膜の主相であるペロブスカイト構造と結合して当該ペロブスカイト構造中に組み込まれている。AO構造は、岩塩型構造を有するAサイト原子と酸素との化合物において、当該岩塩型構造のc軸に垂直な面に平行な層のうち、1層以上からなる層状構造である。
(1.2.3. AO structure)
In the metal oxynitride thin film, the AO structure is combined with and incorporated into the perovskite structure, which is the main phase of the thin film. The AO structure is a layered structure consisting of one or more layers parallel to a plane perpendicular to the c-axis of the rocksalt structure in a compound of A-site atoms and oxygen having a rocksalt structure.

「ペロブスカイト構造と結合して当該ペロブスカイト構造中に組み込まれている」とは、AO構造が、ペロブスカイト構造から構成される相とは異なる相として存在しておらず、AO構造が組み込まれたペロブスカイト構造が、ペロブスカイト構造から構成される相として観察されることを意味する。 The term “bonded to the perovskite structure and incorporated in the perovskite structure” means that the AO structure does not exist as a phase different from the phase composed of the perovskite structure, and the perovskite structure in which the AO structure is incorporated is observed as a phase composed of a perovskite structure.

したがって、本実施形態に係る金属酸窒化物薄膜に対してX線回折測定を行うと、ペロブスカイト構造に帰属する回折ピークが観察されるが、AO構造に帰属する回折ピークは存在しない、または、非常に小さい。 Therefore, when the metal oxynitride thin film according to the present embodiment is subjected to X-ray diffraction measurement, diffraction peaks attributed to the perovskite structure are observed, but diffraction peaks attributed to the AO structure do not exist or are very high. to small.

このようなAO構造は、少なくともc軸方向において、ペロブスカイト構造と整合するように結合している。 Such an AO structure aligns with the perovskite structure at least in the c-axis direction.

AO構造とAO構造の近傍に存在するペロブスカイト構造の一部とが含まれる領域に着目すると、AがSr、BがTaである場合、この領域は、SrTaONで表される金属酸窒化物の結晶構造に類似している。 Focusing on the region containing the AO structure and part of the perovskite structure existing in the vicinity of the AO structure, when A is Sr and B is Ta, this region is a metallic acid represented by Sr 2 TaO 3 N It resembles the crystal structure of nitride.

SrTaONの結晶構造を図5に示す。SrTaON25の結晶構造は、KNiF型構造であり、ペロブスカイト構造を有するSrTaON層21と、岩塩型構造を有するSrO層22と、がc軸方向に交互に積層された構成を有している。したがって、ペロブスカイト構造に組み込まれたAO構造は、図5に示すSrO層22に類似していると言うことができる。 The crystal structure of Sr 2 TaO 3 N is shown in FIG. The crystal structure of Sr 2 TaO 3 N 25 is a K 2 NiF 4 type structure, in which SrTaO 2 N layers 21 having a perovskite structure and SrO layers 22 having a rock salt structure are alternately laminated in the c-axis direction. have a configuration. Therefore, it can be said that the AO structure embedded in the perovskite structure is similar to the SrO layer 22 shown in FIG.

図5から明らかなように、SrO層22は、Nを含まない層である。また、SrO層22は、ペロブスカイト構造を構成するTaO八面体とTaO八面体との間に存在している。 As is clear from FIG. 5, the SrO layer 22 is a layer containing no N. In addition, the SrO layer 22 exists between the TaO 4 N 2 octahedra and the TaO 4 N 2 octahedra constituting the perovskite structure.

すなわち、図5に示すSrTaONの結晶構造を参照すれば、本実施形態に係る金属酸窒化物薄膜において、AO構造がペロブスカイト構造と結合し、ペロブスカイト構造中に組み込まれている場合、AO構造(SrO層)は、c軸方向において、Ta-N鎖を含むTaO八面体同士の頂点共有(結合)を阻害するように配置されている。 That is, referring to the crystal structure of Sr 2 TaO 3 N shown in FIG. 5, in the metal oxynitride thin film according to the present embodiment, when the AO structure is combined with the perovskite structure and incorporated into the perovskite structure, The AO structure (SrO layer) is arranged in the c-axis direction so as to inhibit vertex sharing (bonding) between TaO 4 N dioctahedrons containing Ta—N chains.

ここで、KNiF型構造を有するSrTaONに対して、第一原理計算に基づく電子状態の計算を行い、結晶構造中の電子の存在確率を電子雲として描画した。得られた電子雲の分布を図6に示す。図6から明らかなように、SrO層が存在する面(a軸およびb軸から構成される面に平行な面)と、SrO層のc軸方向(図6では上下方向)に存在するSrTaON中のTa-N鎖と、の間には、電子の移動経路となるような電子雲の重なりが存在しない。換言すれば、c軸方向において、電子の移動経路となり得るTa-N鎖が、SrO層により切断されている。 Here, the electronic state of Sr 2 TaO 3 N having a K 2 NiF 4 type structure was calculated based on first-principles calculation, and the existence probability of electrons in the crystal structure was drawn as an electron cloud. The distribution of the obtained electron cloud is shown in FIG. As is clear from FIG. 6, SrTaO 2 existing in the plane where the SrO layer exists (the plane parallel to the plane composed of the a-axis and the b-axis) and in the c-axis direction of the SrO layer (vertical direction in FIG. 6) Between the Ta—N chain in N and , there is no overlapping electron cloud that serves as a transfer path for electrons. In other words, in the c-axis direction, the Ta—N chain that can serve as an electron migration path is cut by the SrO layer.

したがって、AO構造を構成するSrO層により、3次元的に連なってきたTa-N鎖がc軸方向に垂直な面で局所的に切断される。そのため、Ta-N鎖が再びc軸方向に連なって、電子の移動経路を形成するには、SrO層を迂回する必要がある。電子の移動を迂回させることができれば、電子の移動距離が長くなり、その結果、金属酸窒化物の絶縁特性を向上させることができる。 Therefore, the SrO layer forming the AO structure locally cuts the three-dimensionally connected Ta—N chains on a plane perpendicular to the c-axis direction. Therefore, it is necessary to bypass the SrO layer in order for the Ta—N chains to reconnect in the c-axis direction and form an electron transfer path. If the movement of electrons can be detoured, the movement distance of electrons becomes longer, and as a result, the insulating properties of the metal oxynitride can be improved.

以上より、ペロブスカイト構造において、AO構造が、ペロブスカイト構造と結合してペロブスカイト構造中に組み込まれることにより、電圧印加時の絶縁特性(絶縁抵抗率)が向上する。しかも、誘電特性を担うTa-N鎖を全方位的に減らす(N量を減らす)のではなく、c軸方向におけるTa-N鎖を局所的に切断しているだけなので、誘電特性を比較的良好に維持しつつ、絶縁特性を向上させることができる。本実施形態では、上記の構造を有する金属酸窒化物薄膜は、比誘電率と絶縁抵抗率との積が2.0×1013Ωcm以上であることが好ましい。具体的には、金属酸窒化物薄膜は、周波数1kHzにおいて、電界強度が0.5Vrms/μmとなるような交流電圧を印加した際に得られる静電容量から算出される比誘電率と、電界強度が0.5V/μmとなるような直流電圧を印加した際に得られる絶縁抵抗率と、の積が2.0×1013Ωcm以上であることが好ましい。 As described above, in the perovskite structure, the AO structure is combined with the perovskite structure and incorporated into the perovskite structure, thereby improving the insulation characteristics (insulation resistivity) when a voltage is applied. Moreover, the Ta—N chains responsible for the dielectric properties are not omnidirectionally reduced (the amount of N is reduced), but rather the Ta—N chains are only locally cut in the c-axis direction. Insulation characteristics can be improved while maintaining good insulation properties. In this embodiment, the metal oxynitride thin film having the above structure preferably has a product of dielectric constant and insulation resistivity of 2.0×10 13 Ωcm or more. Specifically, the metal oxynitride thin film has a dielectric constant calculated from the capacitance obtained when an alternating voltage with an electric field strength of 0.5 Vrms / μm is applied at a frequency of 1 kHz, and an electric field It is preferable that the product of the insulation resistivity obtained when a DC voltage having an intensity of 0.5 V/μm is applied is 2.0×10 13 Ωcm or more.

上述したように、本実施形態に係る金属酸窒化物薄膜では、電子の移動経路となりうるTa-N鎖をAO構造の挿入により物理的に切断している。したがって、金属酸窒化物薄膜に印加される電圧が高くなり、Ta-N鎖における電子の移動量が多くなった場合であっても、c軸方向における電子の移動をAO構造が阻害する効果はそれほど変わらない。その結果、電界強度が高くなっても、絶縁特性の低下が抑制され、高い絶縁抵抗率を維持することができる。 As described above, in the metal oxynitride thin film according to the present embodiment, the Ta—N chain, which can serve as an electron transfer path, is physically cut by inserting the AO structure. Therefore, even when the voltage applied to the metal oxynitride thin film increases and the amount of electron movement in the Ta—N chain increases, the effect of the AO structure inhibiting electron movement in the c-axis direction is not much different. As a result, even if the electric field strength increases, the deterioration of the insulation properties is suppressed, and a high insulation resistivity can be maintained.

本実施形態では、ペロブスカイト構造のc軸およびAO構造のc軸に平行な方向に沿って、AO構造が点在していることが好ましい。複数のAO構造が局所的に存在しているよりも、複数のAO構造がペロブスカイト構造中に点在している方が、Ta-N鎖の切断がペロブスカイト構造の全体に渡って生じるため、ペロブスカイト構造の全体において電子の移動距離が長くすることができる。その結果、絶縁特性を効率よく向上させることができる。 In this embodiment, the AO structures are preferably interspersed along a direction parallel to the c-axis of the perovskite structure and the c-axis of the AO structure. When multiple AO structures are scattered in the perovskite structure rather than when multiple AO structures exist locally, the Ta—N chain cleavage occurs throughout the perovskite structure. Electron migration distance can be increased throughout the structure. As a result, the insulating properties can be efficiently improved.

なお、AO構造が、ペロブスカイト構造と結合し、ペロブスカイト構造中に組み込まれているか否かは、たとえば、金属酸窒化物薄膜をTEMにより観察して確認することができる。 Whether or not the AO structure is combined with the perovskite structure and incorporated into the perovskite structure can be confirmed, for example, by observing the metal oxynitride thin film with a TEM.

(2.薄膜キャパシタの製造方法)
次に、図1に示す薄膜キャパシタ1の製造方法の一例について以下に説明する。
(2. Manufacturing method of thin film capacitor)
Next, an example of a method for manufacturing the thin film capacitor 1 shown in FIG. 1 will be described below.

まず、基板51を準備する。基板51として、たとえば、Si単結晶基板を用いる場合、当該基板の一方の主面に絶縁層(たとえば、SiO)を形成する。絶縁層を形成する方法としては、熱酸化法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等の公知の成膜法を用いればよい。 First, the substrate 51 is prepared. For example, when a Si single crystal substrate is used as the substrate 51, an insulating layer (for example, SiO 2 ) is formed on one main surface of the substrate. As a method for forming the insulating layer, a known film forming method such as a thermal oxidation method or a CVD (Chemical Vapor Deposition) method may be used.

続いて、形成された絶縁層上に、公知の成膜法、たとえば、スパッタリング法を用いて下部電極を構成する材料の薄膜を形成して下部電極52を形成する。 Subsequently, the lower electrode 52 is formed by forming a thin film of a material constituting the lower electrode on the formed insulating layer by using a known film forming method such as a sputtering method.

(2.1.金属酸窒化物薄膜の製造方法)
続いて、公知の成膜法を用いて、金属酸窒化物薄膜53を下部電極52上に形成する。本実施形態では、後述する条件を採用して成膜することにより、上述したペロブスカイト構造とAO構造とを有する金属酸窒化物薄膜を容易に形成できる。換言すれば、金属酸窒化物がA1+αBOx+αで表される組成を有するように、ABOに対して、Aサイト元素および酸素をαだけ過剰に含有させても、AO構造は容易に形成されない。
(2.1. Manufacturing method of metal oxynitride thin film)
Subsequently, a metal oxynitride thin film 53 is formed on the lower electrode 52 using a known film formation method. In this embodiment, the metal oxynitride thin film having the perovskite structure and the AO structure described above can be easily formed by forming the film under the conditions described later. In other words, even if the A-site element and oxygen are added to ABO x N y in excess by α so that the metal oxynitride has a composition represented by A 1 +α BO x +α N y , the AO structure is not easily formed.

公知の成膜法としては、たとえば、真空蒸着法、スパッタリング法、パルスレーザー蒸着法(Pulsed Laser Deposition:PLD)、有機金属化学気相成長法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)、有機金属分解法(Metal Organic Decomposition:MOD)またはゾルゲル法、化学溶液堆積法(Chemical Solution Deposition:CSD)等が例示される。 Known film formation methods include, for example, a vacuum deposition method, a sputtering method, a pulsed laser deposition (PLD) method, a metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, and an organic metal decomposition method. A method (Metal Organic Decomposition: MOD), a sol-gel method, a chemical solution deposition method (Chemical Solution Deposition: CSD), and the like are exemplified.

これらの成膜法のうち、成膜用原料を一旦原子レベルまたは分子レベルに分離または励起した後に、基板上に堆積させて成膜を行う公知の気相成長法が好ましい。以下では、気相成長法として、PLD法を用いて、金属酸窒化物薄膜を成膜する方法について述べる。 Among these film forming methods, a known vapor phase growth method is preferred in which a film forming material is once separated or excited at the atomic level or molecular level, and then deposited on a substrate to form a film. A method of forming a metal oxynitride thin film using a PLD method as a vapor deposition method will be described below.

PLD法では、成膜する薄膜の構成元素を含むターゲットを成膜室内に設置し、そのターゲット表面上にパルスレーザーを照射する。照射による強いエネルギーがターゲット表面を瞬時に蒸発させることによりプルームを生成し、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薄膜を形成する。 In the PLD method, a target containing constituent elements of a thin film to be deposited is placed in a deposition chamber, and the surface of the target is irradiated with a pulse laser. The strong energy of the irradiation instantly evaporates the surface of the target to generate a plume, depositing the evaporated material on the substrate placed facing the target to form a thin film.

(2.1.1.成膜用原料)
成膜用原料としては、各種ターゲット材料、蒸着材料、有機金属材料等が例示される。PLD法を用いて金属酸窒化物薄膜を成膜する場合、成膜用原料として、所定の組成を有するターゲットを用いる。
(2.1.1. Raw materials for film formation)
Various target materials, deposition materials, organometallic materials, and the like are exemplified as film-forming raw materials. When forming a metal oxynitride thin film using the PLD method, a target having a predetermined composition is used as a film forming material.

本実施形態では、ペロブスカイト構造のBサイト元素(たとえば、Ta)のモル量に対するAサイト元素(たとえば、Sr)のモル量の比が、1.00よりも大きい組成を有するターゲットを用いる。すなわち、Aサイト元素が、Bサイト元素よりも過剰に含まれているターゲットである。 In this embodiment, a target having a composition in which the ratio of the molar amount of the A-site element (for example, Sr) to the molar amount of the B-site element (for example, Ta) in the perovskite structure is greater than 1.00 is used. That is, the target contains the A-site element in excess of the B-site element.

このような組成を有するターゲットを用いることにより、上述したペロブスカイト構造とAO構造とを有する金属酸窒化物薄膜を成膜することが容易となる。 By using a target having such a composition, it becomes easy to form a metal oxynitride thin film having the above-described perovskite structure and AO structure.

なお、ターゲットにおけるBサイト元素のモル量に対するAサイト元素のモル量の比と、成膜して得られる金属酸窒化物薄膜におけるBサイト元素のモル量に対するAサイト元素のモル量の比と、は必ずしも対応しない。これは、成膜時にターゲットから分離された各元素が薄膜中に取り込まれる割合が異なることに起因すると考えられる。 The ratio of the molar amount of the A-site element to the molar amount of the B-site element in the target, the ratio of the molar amount of the A-site element to the molar amount of the B-site element in the metal oxynitride thin film obtained by forming the film, does not necessarily correspond. It is considered that this is due to the fact that the ratio of each element separated from the target during film formation is incorporated into the thin film at different rates.

Bサイト元素に対するAサイト元素のモル量の比が上記の範囲内であれば、ターゲットとして、酸化物、窒化物、酸窒化物、合金等を用いることができる。また、成膜用原料には微量の不純物、副成分が含まれている場合があるが、本発明の効果を大きく劣化させるものでなければ、特に問題はない。 As long as the molar ratio of the A-site element to the B-site element is within the above range, oxides, nitrides, oxynitrides, alloys, and the like can be used as the target. In addition, although the raw materials for film formation may contain trace amounts of impurities and subcomponents, there is no particular problem as long as the effects of the present invention are not significantly deteriorated.

(2.1.2.成膜工程)
金属酸窒化物薄膜を成膜(形成)する工程では、まず、下部電極の一部を露出させるために、メタルマスクを用いて、下部電極上に金属酸窒化物薄膜が成膜されない領域を形成する。
(2.1.2. Film formation process)
In the process of forming (forming) the metal oxynitride thin film, first, in order to expose a part of the lower electrode, a metal mask is used to form a region where the metal oxynitride thin film is not formed on the lower electrode. do.

本実施形態では、薄膜を結晶化させるために、成膜時に赤外線レーザーにより基板を加熱することが好ましい。成膜時の基板温度は、薄膜の構成元素、組成等に応じて決定すればよいが、AO構造を導入しやすいという観点から、1000℃以下であることが好ましい。さらに、本実施形態では、基板温度は600℃~800℃の範囲内であることが好ましい。基板温度が低すぎると、薄膜が結晶化しない傾向にあり、基板温度が高すぎると、冷却時に基板と薄膜との熱膨張差による割れ等が発生する傾向にある。 In this embodiment, in order to crystallize the thin film, it is preferable to heat the substrate with an infrared laser during film formation. The substrate temperature during film formation may be determined according to the constituent elements, composition, etc. of the thin film, but is preferably 1000° C. or less from the viewpoint of facilitating the introduction of the AO structure. Furthermore, in this embodiment, the substrate temperature is preferably in the range of 600.degree. C. to 800.degree. If the substrate temperature is too low, the thin film tends not to crystallize, and if the substrate temperature is too high, cracking or the like tends to occur due to the difference in thermal expansion between the substrate and the thin film during cooling.

ターゲットとして、酸化物を用いる場合、成膜工程における雰囲気ガスは、酸素ガスおよび窒素ガスを少なくとも含む。このような雰囲気ガスを用いることにより、得られる薄膜の絶縁特性が確保され、誘電体としての薄膜が得られる。特に、本実施形態では、AO構造をペロブスカイト構造中に導入するために、酸素ガスの分圧(pO)と窒素ガスの分圧(pN)との比であるpO/pNを0.2以上にする。 When an oxide is used as the target, the atmosphere gas in the film forming process contains at least oxygen gas and nitrogen gas. By using such atmosphere gas, the insulating properties of the obtained thin film are ensured, and the thin film as a dielectric can be obtained. In particular, in this embodiment, in order to introduce the AO structure into the perovskite structure, pO 2 /pN 2 , which is the ratio of the partial pressure of oxygen gas (pO 2 ) and the partial pressure of nitrogen gas (pN 2 ), is set to 0. .2 or more.

通常、酸化物のターゲットを用いて、金属酸窒化物薄膜を成膜する場合、ターゲットが蒸発して基板上に堆積する際に窒素を導入する必要があるため、pOよりもpNを非常に大きくする。これに対し、本実施形態では、逆に、pOをpNに対して比較的大きくしている。 Normally, when a metal oxynitride thin film is formed using an oxide target, it is necessary to introduce nitrogen when the target evaporates and deposits it on the substrate. increase to On the contrary, in the present embodiment, pO2 is relatively large with respect to pN2 .

pO/pNは1.0以上であることが好ましく、2.0以上であることがより好ましい。なお、pO/pNの好ましい範囲は、成膜法によって異なる。たとえば、PLD法では、pO/pNは比較的大きい方が好ましく、スパッタリング法では、pO/pNが比較的小さくても上述した構造が得られやすい。 pO 2 /pN 2 is preferably 1.0 or more, more preferably 2.0 or more. In addition, the preferable range of pO 2 /pN 2 varies depending on the film forming method. For example, in the PLD method, pO 2 /pN 2 is preferably relatively large, and in the sputtering method, even if the pO 2 /pN 2 is relatively small, the structure described above can be easily obtained.

また、本実施形態では、成膜時に、金属酸化物薄膜を経由せず、金属酸窒化物を基板上に直接成膜してもよいし、金属酸化物薄膜を成膜し、成膜した金属酸化物薄膜の結晶構造内に窒素を導入して金属酸窒化物薄膜を得てもよい。どちらの場合であっても、窒化処理として、金属酸化物膜の成膜時に窒素ラジカルを成膜室に導入する方法、窒素ガスなどを用いる反応性スパッタを用いる方法、プラズマ窒化により活性化された窒素を用いる方法等を用いることが可能である。 In addition, in the present embodiment, the metal oxynitride may be formed directly on the substrate without going through the metal oxide thin film during film formation, or the metal oxide thin film may be formed and the metal oxide film A metal oxynitride thin film may be obtained by introducing nitrogen into the crystal structure of the oxide thin film. In either case, the nitriding treatment includes a method of introducing nitrogen radicals into the film formation chamber during the formation of the metal oxide film, a method of using reactive sputtering using nitrogen gas or the like, and a method of using plasma nitridation to activate nitrogen radicals. A method using nitrogen or the like can be used.

このような方法によれば、毒性のある気体を使用せずに金属酸窒化物薄膜を成膜できるので、好ましい。また、金属窒化物薄膜の部分酸化処理なども用いることが可能である。本実施形態では、金属酸化物の原料を用いて成膜する際に、窒化に用いる窒素を導入して、金属酸窒化物を得ることが好ましい。 Such a method is preferable because a metal oxynitride thin film can be formed without using a toxic gas. Partial oxidation treatment of a metal nitride thin film can also be used. In the present embodiment, it is preferable to obtain a metal oxynitride by introducing nitrogen used for nitridation when forming a film using a metal oxide raw material.

なお、金属酸窒化物薄膜における窒素の含有量(y)が少ない場合には、酸化物から構成されるターゲットを用いて金属酸化物薄膜を成膜したのちに、金属酸化物膜に対し、窒素ラジカルを導入して窒化処理を行ってもよい。 When the nitrogen content (y) in the metal oxynitride thin film is small, after forming the metal oxide thin film using a target composed of an oxide, nitrogen is added to the metal oxide film. Nitriding treatment may be performed by introducing radicals.

このようにして得られる金属酸窒化物薄膜は、誘電体として働く堆積膜である。 The metal oxynitride thin film thus obtained is a deposited film that acts as a dielectric.

次に、本実施形態では、形成した金属酸窒化物薄膜53上に、公知の成膜法を用いて上部電極を構成する材料の薄膜を形成して上部電極54を形成する。 Next, in the present embodiment, the upper electrode 54 is formed by forming a thin film of a material constituting the upper electrode on the formed metal oxynitride thin film 53 using a known film forming method.

以上の工程を経て、図1に示すように、基板51上に、キャパシタ部(下部電極52、金属酸窒化物薄膜53および上部電極54)が形成された薄膜キャパシタ1が得られる。 Through the above steps, a thin film capacitor 1 is obtained in which a capacitor portion (lower electrode 52, metal oxynitride thin film 53 and upper electrode 54) is formed on a substrate 51, as shown in FIG.

(3.本実施形態における効果)
本実施形態では、所定の組成を有する金属酸窒化物に、Aサイト元素および酸素を過剰に含有させるとともに、このAサイト元素および酸素から形成されるAO構造を導入している。このAO構造は、金属酸窒化物薄膜の主相であるペロブスカイト構造中においてペロブスカイト構造と結合している。
(3. Effects of this embodiment)
In this embodiment, a metal oxynitride having a predetermined composition contains an excessive amount of an A-site element and oxygen, and an AO structure formed from the A-site element and oxygen is introduced. This AO structure is combined with the perovskite structure in the perovskite structure which is the main phase of the metal oxynitride thin film.

また、このAO構造は、c軸に垂直な面において、窒素を含まない層を有している。この窒素を含まない層を構成する原子間の結合の電子雲は、当該層のc軸方向に存在するBサイト原子と窒素との結合における電子雲と重ならない。したがって、窒素を含まない層と、Bサイト原子と窒素との結合との間では、電子の移動は生じない。 Also, this AO structure has a layer that does not contain nitrogen in the plane perpendicular to the c-axis. The electron cloud of bonds between atoms forming this nitrogen-free layer does not overlap with the electron cloud of bonds between B-site atoms and nitrogen present in the c-axis direction of the layer. Therefore, no electron transfer occurs between the nitrogen-free layer and the bond between the B-site atom and the nitrogen.

その結果、このようなAO構造がペロブスカイト構造中に組み込まれることにより、電圧印加時に電子の移動経路となりうるBサイト原子と窒素との結合が3次元的に連なっていても、その結合の一部をc軸方向において切断することができる。このような切断が存在することにより、電子が再びc軸方向に存在に移動するにはAO構造中の窒素を含まない層を迂回して移動するほかない。したがって、本発明者らは、AO構造が導入されていない場合に比べて、電子の移動距離を長くすることができ、金属酸窒化物の絶縁特性を向上させることができるのではないかと推察している。換言すれば、金属酸窒化物の絶縁特性を向上させるには、金属酸窒化物にAサイト元素および酸素が単に過剰に含有されているだけでは足りず、さらに上述したAO構造が金属酸窒化物中に導入されている必要がある。 As a result, by incorporating such an AO structure into the perovskite structure, even if the bonds between the B-site atoms and nitrogen, which can serve as electron transfer paths when a voltage is applied, are three-dimensionally connected, part of the bonds can be cut in the c-axis direction. Due to the presence of such a break, the electrons have no choice but to bypass the nitrogen-free layer in the AO structure in order to move again in the c-axis direction. Therefore, the inventors of the present invention speculate that the electron migration distance can be increased and the insulating properties of the metal oxynitride can be improved as compared with the case where the AO structure is not introduced. ing. In other words, in order to improve the insulating properties of the metal oxynitride, it is not sufficient for the metal oxynitride to simply contain an A-site element and oxygen in excess. must be installed inside.

しかも、高い誘電特性を担うBサイト原子と窒素との結合を減らすことなく、特定の方向における電子の移動経路を阻害しているので、良好な絶縁特性と高い誘電特性とを兼ね備えた金属酸窒化物薄膜を得ることができる。 In addition, the metal oxynitride has both good insulating properties and high dielectric properties because it inhibits the movement of electrons in a specific direction without reducing the bonding between nitrogen and B-site atoms responsible for high dielectric properties. thin films can be obtained.

特に、金属酸窒化物薄膜に印加される電界強度が強くなった場合であっても、良好な絶縁特性を得ることができる。Bサイト原子と窒素との結合をAO構造の挿入により物理的に切断しているため、電子の移動経路を阻害する効果はそれほど変わらないからである。換言すれば、本実施形態に係る金属酸窒化物薄膜は、高い電界強度下においても、良好な絶縁特性を維持することができる。 In particular, good insulating properties can be obtained even when the intensity of the electric field applied to the metal oxynitride thin film is increased. This is because the bond between the B-site atom and nitrogen is physically cut by the insertion of the AO structure, so the effect of inhibiting the electron movement path does not change that much. In other words, the metal oxynitride thin film according to this embodiment can maintain good insulating properties even under high electric field strength.

電界強度は印加される電圧に比例するので、本実施形態に係る金属酸窒化物薄膜が高い電界強度下において良好な絶縁特性を示すということは、当該金属酸窒化物薄膜を備える容量素子の定格電圧を高めることにつながる。したがって、このような容量素子は、たとえば、従来の容量素子の定格電圧を超える高い電圧が印加される場合においても使用できるという利点を有する。 Since the electric field strength is proportional to the applied voltage, the fact that the metal oxynitride thin film according to the present embodiment exhibits good insulation properties under high electric field strength means that the capacitive element including the metal oxynitride thin film is rated This leads to increased voltage. Therefore, such a capacitive element has the advantage that it can be used, for example, even when a voltage higher than the rated voltage of a conventional capacitive element is applied.

また、ペロブスカイト構造中において、AO構造が分散して存在することにより、上記の効果を高めることができる。 In addition, the above effect can be enhanced by dispersing the AO structure in the perovskite structure.

以下、本実施形態における特徴的な構成を付記する。
(付記1)
ペロブスカイト構造を有する金属酸窒化物薄膜であって、
前記金属酸窒化物薄膜が、組成式A1+αBOx+αで表される組成を有し、αが0より大きく0.300以下、xが2.450より大きく、yが0.300以上0.700以下であり、
電界強度が0.5Vrms/μm、周波数が1kHzで測定した前記金属酸窒化物薄膜の比誘電率と、電界強度が0.5V/μmで測定した前記金属酸窒化物薄膜の絶縁抵抗率との積が2.0×1013以上であることを特徴とする金属酸窒化物薄膜。
Characteristic configurations of the present embodiment will be added below.
(Appendix 1)
A metal oxynitride thin film having a perovskite structure,
The metal oxynitride thin film has a composition represented by the composition formula A1 + αBOx + αNy , where α is greater than 0 and 0.300 or less, x is greater than 2.450, and y is 0.300 or more and 0 .700 or less,
The relative dielectric constant of the metal oxynitride thin film measured at an electric field strength of 0.5 Vrms/μm and a frequency of 1 kHz, and the insulation resistivity of the metal oxynitride thin film measured at an electric field strength of 0.5 V/μm. A metal oxynitride thin film having a product of 2.0×10 13 or more.

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の範囲内において種々の態様で改変しても良い。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is by no means limited to the above embodiments, and may be modified in various ways within the scope of the present invention.

以下、実施例において、本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail in the following examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

(実験例1)
まず、成膜用原料としてのターゲットの原料として、SrCO、Taを準備した。試料番号1、2および5においてはSr:Ta=1.1:1.0になるように秤量し、試料番号3および4においてはSr:Ta=1.0:1.0になるように秤量した。秤量後の原料を、溶媒としてのエタノールとともに湿式ボールミルにて16時間混合を行った。得られた混合スラリーを恒温乾燥機にて80℃で12時間乾燥した。得られた混合物を乳鉢にて軽く解砕し、セラミック製のるつぼにいれ電気炉で1000℃、大気雰囲気中で2時間熱処理し、仮焼物を得た。
(Experimental example 1)
First, SrCO 3 and Ta 2 O 5 were prepared as raw materials for a target as a raw material for film formation. Sample numbers 1, 2 and 5 were weighed so that Sr:Ta=1.1:1.0, and sample numbers 3 and 4 were weighed so that Sr:Ta=1.0:1.0. did. The raw materials after weighing were mixed with ethanol as a solvent in a wet ball mill for 16 hours. The obtained mixed slurry was dried at 80° C. for 12 hours in a constant temperature dryer. The resulting mixture was lightly pulverized in a mortar, placed in a ceramic crucible, and heat-treated in an electric furnace at 1000° C. in an air atmosphere for 2 hours to obtain a calcined product.

得られた仮焼物を、溶媒としてのエタノールとともに湿式ボールミルにて16時間粉砕を行い、粉砕後スラリーを恒温乾燥機にて80℃で12時間乾燥し粉砕物を得た。得られた粉砕物に対し、バインダーとしてポリビニールアルコール溶液を溶液中の固形物換算で0.6重量%添加、混合し造粒物を得た。造粒物を直径約23mm、高さ約9mmの円柱形状に成形し成形物を得た。成形物を電気炉にて、大気雰囲気中1400℃で2時間焼成し、焼結体を得た。得られた焼結体の上面および下面を鏡面研磨し、焼結体の高さを5mmとした成膜用ターゲットを得た。このとき得られたターゲットの相対密度は、Sr:Ta=1.1:1.0としたものが80%、Sr:Ta=1.0:1.0としたものが95%であった。 The obtained calcined product was pulverized with ethanol as a solvent in a wet ball mill for 16 hours, and the pulverized slurry was dried at 80° C. for 12 hours in a constant temperature dryer to obtain a pulverized product. A polyvinyl alcohol solution was added as a binder to the obtained pulverized product in an amount of 0.6% by weight in terms of solid matter in the solution, and the mixture was mixed to obtain a granulated product. The granules were molded into a cylinder having a diameter of about 23 mm and a height of about 9 mm to obtain a molding. The molding was fired in an electric furnace at 1400° C. for 2 hours in an air atmosphere to obtain a sintered body. The upper and lower surfaces of the obtained sintered body were mirror-polished to obtain a film-forming target with a height of 5 mm. The relative density of the target obtained at this time was 80% with Sr:Ta=1.1:1.0 and 95% with Sr:Ta=1.0:1.0.

上記のように得られた成膜用ターゲットを成膜装置に設置し、続いて、ターゲットに対向するよう表面に下部電極としてPt膜を有するSi基板を設置した。窒素ラジカルを導入したPLD法で厚さ600nmとなるように金属酸窒化物薄膜を成膜した。雰囲気ガスは酸素ガスおよび窒素ガスの混合ガスを用いた。混合ガスにおける酸素ガスの分圧と窒素ガスの分圧との比を表1に示す値とした。 The target for film formation obtained as described above was placed in a film forming apparatus, and then a Si substrate having a Pt film as a lower electrode on its surface was placed so as to face the target. A metal oxynitride thin film was formed to a thickness of 600 nm by the PLD method in which nitrogen radicals were introduced. A mixed gas of oxygen gas and nitrogen gas was used as the atmospheric gas. Table 1 shows the ratio of the oxygen gas partial pressure to the nitrogen gas partial pressure in the mixed gas.

得られた試料のX線回折パターンから薄膜が結晶化していることが確認された。また、得られた試料について、XPSによる深さ方向の組成分析を行い、薄膜の組成を測定した。得られた結果より、Bサイト原子(Ta)量に対するAサイト原子(Sr)量からαを算出した。算出されたαを用いて、薄膜に含まれる酸素量からxを算出した。結果を表1に示す。続いて、得られた試料について、比誘電率および絶縁抵抗率を評価した。 It was confirmed from the X-ray diffraction pattern of the obtained sample that the thin film was crystallized. Further, the obtained sample was subjected to composition analysis in the depth direction by XPS to measure the composition of the thin film. From the obtained results, α was calculated from the amount of A-site atoms (Sr) with respect to the amount of B-site atoms (Ta). Using the calculated α, x was calculated from the amount of oxygen contained in the thin film. Table 1 shows the results. Subsequently, relative permittivity and insulation resistivity of the obtained samples were evaluated.

比誘電率は、以下のようにして評価した。まず、得られた試料の金属酸窒化物薄膜13上に、Agを直径100μmで蒸着し、上部電極とした。続いて、上部電極が形成された試料に対して、基準温度25℃において、周波数1kHzにおいて、上部電極が形成された試料に印加される電界強度が0.5Vrms/μmとなるように交流電圧を印加して測定された静電容量と、誘電体としての金属酸窒化物薄膜の厚みと、から、比誘電率(単位なし)を算出した。結果を表1に示す。なお、参考のため、電界強度が0.1Vrms/μmである場合の比誘電率も同様に測定した。結果を表1に示す。 The dielectric constant was evaluated as follows. First, on the metal oxynitride thin film 13 of the obtained sample, Ag was vapor-deposited with a diameter of 100 μm to form an upper electrode. Subsequently, an alternating voltage was applied to the sample having the upper electrode formed thereon at a reference temperature of 25° C. and a frequency of 1 kHz so that the electric field intensity applied to the sample having the upper electrode formed thereon was 0.5 Vrms/μm. A dielectric constant (no unit) was calculated from the capacitance measured by applying the voltage and the thickness of the metal oxynitride thin film as the dielectric. Table 1 shows the results. For reference, the dielectric constant was also measured in the same manner when the electric field strength was 0.1 Vrms/μm. Table 1 shows the results.

絶縁抵抗率は、デジタル超高抵抗計(ADVANTEST社製R8340A)を用いて、上部電極が形成された試料に印加される電界強度が0.5V/μmとなるように直流電圧を印加して、絶縁抵抗率を測定した。結果を表1に示す。なお、参考のため、電界強度が0.1V/μmである場合の絶縁抵抗率も同様に測定した。結果を表1に示す。 The insulation resistivity is measured by applying a DC voltage so that the electric field strength applied to the sample on which the upper electrode is formed is 0.5 V / μm using a digital ultra-high resistance meter (R8340A manufactured by ADVANTEST). Insulation resistivity was measured. Table 1 shows the results. For reference, the insulation resistivity was similarly measured when the electric field strength was 0.1 V/μm. Table 1 shows the results.

また、評価した比誘電率と絶縁抵抗率との積を算出した。結果を表1に示す。 Also, the product of the evaluated dielectric constant and insulation resistivity was calculated. Table 1 shows the results.

Figure 0007192383000001
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表1より、試料番号1および2では、組成式Sr1+αTaOx+αで表される金属酸窒化物薄膜において、SrOがαだけ過剰に含まれ、かつ成膜時のpO/pNを1.0よりも大きくすることにより、高い誘電特性を維持しつつ、絶縁抵抗率が向上した薄膜が得られることが確認できた。これは、薄膜のペロブスカイト構造中に、上述したAO構造が十分に導入され、Ta-N鎖を通じた電子の移動経路が阻害されたためだと考えられる。これは、電界強度が0.5V/μmである場合の絶縁抵抗率が、電界強度が0.1V/μmである場合の絶縁抵抗率よりも10%程度しか低下していないことに対応していると考えられる。 From Table 1, in sample numbers 1 and 2, in the metal oxynitride thin film represented by the composition formula Sr 1 + α TaO x + α N y , SrO is excessively contained by α, and pO 2 /pN 2 at the time of film formation is It was confirmed that a thin film having an improved insulation resistivity while maintaining high dielectric properties can be obtained by making it larger than 1.0. It is believed that this is because the above-mentioned AO structure was sufficiently introduced into the perovskite structure of the thin film, and the transfer path of electrons through the Ta—N chain was blocked. This corresponds to the fact that the insulation resistivity when the electric field strength is 0.5 V/μm is only about 10% lower than the insulation resistivity when the electric field strength is 0.1 V/μm. It is thought that there are

これに対し、試料番号3および4では、過剰なSrOが含まれないため、成膜時のpO/pNを大きくしても、絶縁抵抗率は低いことが確認できた。これは、過剰なSrOが含まれておらず、AO構造が形成されなかったためだと考えられる。これは、電界強度が0.5V/μmである場合の絶縁抵抗率が、電界強度が0.1V/μmである場合の絶縁抵抗率よりも1桁も低下していることに対応していると考えられる。 On the other hand, since sample numbers 3 and 4 do not contain excess SrO, it was confirmed that the insulation resistivity was low even if pO 2 /pN 2 during film formation was increased. It is believed that this is because no excess SrO was included and no AO structure was formed. This corresponds to the fact that the insulation resistivity when the electric field strength is 0.5 V/μm is one order of magnitude lower than the insulation resistivity when the electric field strength is 0.1 V/μm. it is conceivable that.

また、試料番号5では、過剰なSrOが含まれていても、成膜時のpO/pNが1.0であったため、絶縁抵抗率は低いことが確認できた。これは、過剰なSrOが含まれていても、AO構造が形成されるほど、PLD法における成膜時のpO/pNが高くなかったためだと考えられる。これは、過剰なSrOが含まれているにもかかわらず、電界強度が0.5V/μmである場合の絶縁抵抗率が、電界強度が0.1V/μmである場合の絶縁抵抗率よりも1桁も低下していることに対応していると考えられる。すなわち、試料番号1と試料番号5とでは、組成は同じであるにもかかわらず、比誘電率および絶縁抵抗率が異なることから、試料番号1の金属酸窒化物薄膜にはAO構造が導入され、試料番号5の金属酸窒化物薄膜にはAO構造が導入されていないことが確認できた。 In addition, in sample No. 5, even though excessive SrO was contained, pO 2 /pN 2 was 1.0 at the time of film formation, so it was confirmed that the insulation resistivity was low. This is probably because the pO 2 /pN 2 during film formation in the PLD method was not so high as to form an AO structure even when excessive SrO was included. This is because the insulation resistivity when the electric field strength is 0.5 V/μm is higher than the insulation resistivity when the electric field strength is 0.1 V/μm, despite the inclusion of excess SrO. It is thought that this corresponds to the fact that it has decreased by one digit. That is, although sample No. 1 and sample No. 5 have the same composition, the dielectric constant and the insulation resistivity are different. Therefore, the AO structure was introduced into the metal oxynitride thin film of sample No. 1. , it was confirmed that the AO structure was not introduced into the metal oxynitride thin film of sample number 5.

(実験例2)
成膜用原料としてのターゲットの原料として、さらに、BaCO、La(OH)およびTiOを準備した。
(Experimental example 2)
Further, BaCO 3 , La(OH) 3 and TiO 2 were prepared as raw materials for targets as film-forming raw materials.

試料番号6においてはSr:Ta=1.2:1.0になるように秤量した以外は、実験例1と同じ方法により、成膜用ターゲットを作製した。作製した成膜用ターゲットを用いて、スパッタリング法により金属酸窒化物薄膜を成膜した。雰囲気ガスは酸素ガスおよび窒素ガスの混合ガスを用いた。混合ガスにおける酸素ガスの分圧と窒素ガスの分圧との比を表2に示す値とした。 For Sample No. 6, a film-forming target was produced in the same manner as in Experimental Example 1, except that Sr:Ta=1.2:1.0 was weighed. A metal oxynitride thin film was formed by a sputtering method using the prepared film-forming target. A mixed gas of oxygen gas and nitrogen gas was used as the atmospheric gas. Table 2 shows the ratio of the partial pressure of oxygen gas to the partial pressure of nitrogen gas in the mixed gas.

得られた試料について、金属酸窒化物薄膜の組成、比誘電率および絶縁抵抗率を実験例1と同じ方法により評価した。結果を表2に示す。 The obtained samples were evaluated in the same manner as in Experimental Example 1 for the composition, dielectric constant and insulation resistivity of the metal oxynitride thin film. Table 2 shows the results.

試料番号7においてはSr:Ta=1.05:1.0になるように秤量した以外は、実験例1と同じ方法で成膜用ターゲットを作製した。作製した成膜用ターゲットを用いて、試料番号1と同じ条件で金属酸窒化物薄膜を成膜した。得られた試料について、金属酸窒化物薄膜の組成、比誘電率および絶縁抵抗率を実験例1と同じ方法により評価した。結果を表2に示す。 For Sample No. 7, a film-forming target was produced in the same manner as in Experimental Example 1, except that Sr:Ta=1.05:1.0. A metal oxynitride thin film was formed under the same conditions as those of Sample No. 1 using the prepared film-forming target. The obtained samples were evaluated in the same manner as in Experimental Example 1 for the composition, dielectric constant and insulation resistivity of the metal oxynitride thin film. Table 2 shows the results.

試料番号8においてはSr:Ta=1.4:1.0になるように秤量した以外は、実験例1と同じ方法で成膜用ターゲットを作製した。作製した成膜用ターゲットを用いて、試料番号1と同じ条件で金属酸窒化物薄膜を成膜した。得られた試料について、金属酸窒化物薄膜の組成、比誘電率および絶縁抵抗率を実験例1と同じ方法により評価した。結果を表2に示す。 For Sample No. 8, a film-forming target was produced in the same manner as in Experimental Example 1, except that Sr:Ta=1.4:1.0 was weighed. A metal oxynitride thin film was formed under the same conditions as those of Sample No. 1 using the prepared film-forming target. The obtained samples were evaluated in the same manner as in Experimental Example 1 for the composition, dielectric constant and insulation resistivity of the metal oxynitride thin film. Table 2 shows the results.

試料番号9においてはBa:Ta=1.2:1.0になるように秤量した以外は、実験例1と同じ方法で成膜用ターゲットを作製した。作製した成膜用ターゲットを用いて、試料番号1と同じ条件で金属酸窒化物薄膜を成膜した。得られた試料について、金属酸窒化物薄膜の組成、比誘電率および絶縁抵抗率を実験例1と同じ方法により評価した。結果を表2に示す。 For Sample No. 9, a film-forming target was produced in the same manner as in Experimental Example 1, except that the weights were weighed so that Ba:Ta=1.2:1.0. A metal oxynitride thin film was formed under the same conditions as those of Sample No. 1 using the prepared film-forming target. The obtained samples were evaluated in the same manner as in Experimental Example 1 for the composition, dielectric constant and insulation resistivity of the metal oxynitride thin film. Table 2 shows the results.

試料番号10においてはLa:Sr:Ti:Ta=0.2:0.9:0.2:0.8になるように秤量した以外は、実験例1と同じ方法で成膜用ターゲットを作製した。作製した成膜用ターゲットを用いて、試料番号1と同じ条件で金属酸窒化物薄膜を成膜した。得られた試料について、金属酸窒化物薄膜の組成、比誘電率および絶縁抵抗率を実験例1と同じ方法により評価した。結果を表2に示す。 For Sample No. 10, a film-forming target was produced in the same manner as in Experimental Example 1, except that the weights were adjusted so that La:Sr:Ti:Ta=0.2:0.9:0.2:0.8. did. A metal oxynitride thin film was formed under the same conditions as those of Sample No. 1 using the prepared film-forming target. The obtained samples were evaluated in the same manner as in Experimental Example 1 for the composition, dielectric constant and insulation resistivity of the metal oxynitride thin film. Table 2 shows the results.

Figure 0007192383000002
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表2より、αを変化させた場合、AおよびBを構成する元素を変化させた場合であっても、実験例1と同様の効果が得られることが確認できた。なお、試料番号10の金属酸窒化物薄膜の組成は、La0.2Sr0.85Ti0.2Ta0.83.0550.300であった。 From Table 2, it was confirmed that the same effects as in Experimental Example 1 were obtained even when α was changed and the elements constituting A and B were changed. The composition of the metal oxynitride thin film of sample number 10 was La 0.2 Sr 0.85 Ti 0.2 Ta 0.8 O 3.055 N 0.300 .

1… 薄膜キャパシタ
51… 基板
52… 下部電極
53… 金属酸窒化物薄膜
54… 上部電極
15… 八面体
11… 酸素
12… 窒素
13… Bサイト原子
14… Aサイト原子
25… SrTaO
21… SrTaON層
22… SrO層
REFERENCE SIGNS LIST 1 thin film capacitor 51 substrate 52 lower electrode 53 metal oxynitride thin film 54 upper electrode 15 octahedron 11 oxygen 12 nitrogen 13 B site atoms 14 A site atoms 25 Sr 2 TaO 3 N
21... SrTaO2N layer 22... SrO layer

Claims (5)

ペロブスカイト構造を有する金属酸窒化物薄膜であって、
前記金属酸窒化物薄膜が、組成式A1+αBOx+αNyで表される組成を有し、αが0より大きく0.300以下、x+αが2.450より大きく、yが0.300以上0.700以下であり、
前記ペロブスカイト構造のc軸に垂直な面に平行な層状構造であって、一般式AOで表される組成を有するAO構造を有し、
前記AO構造は、前記ペロブスカイト構造中に、前記ペロブスカイト構造と結合して組み込まれていることを特徴とする金属酸窒化物薄膜。
A metal oxynitride thin film having a perovskite structure,
The metal oxynitride thin film has a composition represented by the composition formula A 1+ αBO x+ αN y , where α is greater than 0 and 0.300 or less, x+α is greater than 2.450, and y is 0.300 or more. is 0.700 or less,
a layered structure parallel to a plane perpendicular to the c-axis of the perovskite structure, having an AO structure having a composition represented by the general formula AO;
A metal oxynitride thin film, wherein the AO structure is incorporated in the perovskite structure by bonding with the perovskite structure.
前記AO構造が、前記ペロブスカイト構造中に点在していることを特徴とする請求項1に記載の金属酸窒化物薄膜。 2. The metal oxynitride thin film according to claim 1, wherein said AO structures are interspersed in said perovskite structure. 前記Aは、Ba、Sr、Ca、LaおよびNdからなる群から選ばれる1種以上であり、前記Bは、Ta、Nb、WおよびTiからなる群から選ばれる1種以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の金属酸窒化物薄膜。 A is one or more selected from the group consisting of Ba, Sr, Ca, La and Nd, and B is one or more selected from the group consisting of Ta, Nb, W and Ti. 3. The metal oxynitride thin film according to claim 1 or 2. 電界強度が0.5Vrms/μm、周波数が1kHzで測定した前記金属酸窒化物薄膜の比誘電率と、電界強度が0.5V/μmで測定した前記金属酸窒化物薄膜の絶縁抵抗率との積が2.0×1013Ωcm以上であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の金属酸窒化物薄膜。 The relative dielectric constant of the metal oxynitride thin film measured at an electric field strength of 0.5 Vrms/μm and a frequency of 1 kHz, and the insulation resistivity of the metal oxynitride thin film measured at an electric field strength of 0.5 V/μm. 4. The metal oxynitride thin film according to claim 1, wherein the product has a product of 2.0×10 13 Ωcm or more. 請求項1から4のいずれかに記載の金属酸窒化物薄膜を備えることを特徴とする容量素子。 A capacitor comprising the metal oxynitride thin film according to claim 1 .
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