JP2008053281A - High dielectric film and method for forming the same - Google Patents
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Abstract
【課題】MOD法によるペロブスカイト型誘電物質からなる高誘電体膜の形成において、クラックの発生がなく、膜の収縮が小さく、かつ誘電特性に優れた誘電体膜とその形成方法を提供する。
【解決手段】基板上に、下記の工程(1)、(2)を繰返し行うことによって、3層以上積層してなる多層誘電体薄膜を作製した後、次いで、得られた多層誘電体薄膜に本焼成を行うことを特徴とする。
工程(1):基板上に、混合溶剤に、アルカリ土類金属元素と、チタン、スズ、及びジルコニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素を含有する塗布組成物からなる塗布液を、一回の塗布によって形成される誘電体薄膜の膜厚が仮焼成後で30〜120nmとなるに十分な量だけ塗布した後、乾燥させる。
工程(2):基板上に形成された誘電体薄膜を、酸素雰囲気中、550〜800℃の温度で加熱し、仮焼成する。
【選択図】なし
Disclosed is a dielectric film that is free from cracks, has a small film shrinkage, and has excellent dielectric characteristics in the formation of a high dielectric film made of a perovskite type dielectric material by the MOD method.
A multilayer dielectric thin film formed by laminating three or more layers is produced by repeatedly performing the following steps (1) and (2) on a substrate, and then the obtained multilayer dielectric thin film is formed. Main firing is performed.
Step (1): A coating solution comprising a coating composition containing an alkaline earth metal element and at least one metal element selected from the group consisting of titanium, tin, and zirconium in a mixed solvent on a substrate. A dielectric thin film formed by a single coating is applied in an amount sufficient for the film thickness to be 30 to 120 nm after pre-baking, and then dried.
Step (2): The dielectric thin film formed on the substrate is heated at a temperature of 550 to 800 ° C. in an oxygen atmosphere and temporarily fired.
[Selection figure] None
Description
本発明は、高誘電体膜とその形成方法に関し、さらに詳しくは、有機酸塩熱分解法(以下、MOD法と呼称する場合がある。)によるペロブスカイト型誘電物質からなる高誘電体膜の形成において、クラックの発生がなく、膜の収縮が小さく、かつ誘電特性に優れた誘電体膜とその形成方法に関する。これによって、薄膜コンデンサ及び半導体集積回路装置の容量絶縁膜、DRAMのキャパシタ材料等、電子デバイスにおける様々な用途のキャパシタ材料等に好適な、誘電特性に優れた高誘電体膜が得られる。 The present invention relates to a high dielectric film and a method for forming the same, and more specifically, formation of a high dielectric film made of a perovskite dielectric material by an organic acid salt pyrolysis method (hereinafter sometimes referred to as MOD method). The present invention relates to a dielectric film having no cracks, small film shrinkage, and excellent dielectric characteristics, and a method for forming the same. As a result, it is possible to obtain a high dielectric film excellent in dielectric characteristics, which is suitable for capacitor materials for various applications in electronic devices such as thin film capacitors, capacitive insulating films of semiconductor integrated circuit devices, and capacitor materials of DRAMs.
近年、コンデンサ素子の小型化、また半導体集積回路の高集積化に伴い、薄膜コンデンサ及び半導体集積回路装置の容量絶縁膜、DRAMのキャパシタ材料等に使用されるキャパシタ絶縁膜としては、誘電率の高い物質が求められている。このような高誘電率を有する物質としては、ペロブスカイト型の結晶構造を持つ複合酸化物が知られている。例えば、チタン酸バリウム(BaTiO3)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、チタン酸カルシウム(CaTiO3)、チタン酸バリウムストロンチウム((Ba、Sr)TiO3)等、もしくは、前記複合酸化物を主成分とし、さらにBaサイトにマグネシウムを、Tiサイトにスズ、ジルコニウムを置換したペロブスカイト型複合酸化物が注目されている。 In recent years, with the miniaturization of capacitor elements and the high integration of semiconductor integrated circuits, capacitor insulating films used for capacitor insulating films of thin film capacitors and semiconductor integrated circuit devices, capacitor materials of DRAMs, etc. have a high dielectric constant. Substances are sought. As such a material having a high dielectric constant, a composite oxide having a perovskite crystal structure is known. For example, barium titanate (BaTiO 3 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), calcium titanate (CaTiO 3 ), barium strontium titanate ((Ba, Sr) TiO 3 ), or the like, or the composite oxide as a main component Further, perovskite type composite oxides in which magnesium is substituted at the Ba site and tin and zirconium are substituted at the Ti site are attracting attention.
また、このような高誘電率を有する物質の薄膜形成法としては、スパッタリング法、ゾルゲル法、MOD法、CVD法等が行なわれている。しかしながら、スパッタリング法及びCVD法には、いずれも装置が複雑であり、また、膜形成速度が遅いという欠点を有する上に膜を形成することできる面積が小さいため、大面積の膜を得ることができないという問題点がある。これに対して、ゾルゲル法又はMOD法のような塗布法では、熱分解によりペロブスカイト型複合酸化物を形成する化合物を含有する液状材料を基板上に塗布し焼成するという比較的単純なプロセスにより、安価な設備で大面積の薄膜が得られるという利点があり、工業的に量産性に優れた有望な方法である。ここで、塗布法による誘電体膜の作製手順としては、例えば、アルカリ土類金属元素と、チタン、スズ又はジルコニウムから選ばれる少なくとも1種とを含有し、熱分解することにより上記ペロブスカイト型複合酸化物を形成する複合有機酸塩液を基板上にスピンコート法で塗布し、次いで約200℃で乾燥後、300〜500℃で仮焼成して薄膜を形成する工程を数回繰返して、所定の膜厚とした後、最後に700〜800℃で本焼成を行ない誘電体膜が得られる。 Further, as a method for forming a thin film of a substance having such a high dielectric constant, a sputtering method, a sol-gel method, a MOD method, a CVD method or the like is performed. However, both the sputtering method and the CVD method have a complicated apparatus and have a drawback that the film formation speed is slow, and the area on which the film can be formed is small, so that a film with a large area can be obtained. There is a problem that it is not possible. On the other hand, in a coating method such as a sol-gel method or a MOD method, a liquid material containing a compound that forms a perovskite-type composite oxide by thermal decomposition is applied onto a substrate and baked. There is an advantage that a thin film having a large area can be obtained with inexpensive equipment, and this is a promising method which is industrially excellent in mass productivity. Here, as a preparation procedure of the dielectric film by the coating method, for example, the perovskite type complex oxidation containing an alkaline earth metal element and at least one selected from titanium, tin, or zirconium, and thermally decomposing it is performed. A composite organic acid salt solution for forming a product is applied onto a substrate by a spin coating method, then dried at about 200 ° C., and then temporarily fired at 300 to 500 ° C. to form a thin film several times. After the film thickness is obtained, final firing is performed at 700 to 800 ° C. to obtain a dielectric film.
従来、ゾルゲル法又はMOD法に用いられる薄膜形成用塗布液について、例えば、次の(イ)〜(ハ)が提案されている。
(イ)バリウム及びチタンの金属石鹸を使用する(例えば、特許文献1参照。)。
(ロ)酢酸バリウム等のカルボン酸バリウム塩と、チタンイソプロポキシドの原料をエチレングリコールモノメチルエーテルを含む有機溶媒に溶解し、これを加水分解してチタン酸バリウム薄膜形成用組成物とする(例えば、特許文献2参照。)。
(ハ) カルボン酸バリウム塩、カルボン酸ストロンチウム塩、及びチタンイソプロポキシドを原料としてエステルとした有機溶媒に溶解し、チタン酸バリウムストロンチウム薄膜形成用組成物とする(例えば、特許文献3参照。)。
Conventionally, for example, the following (A) to (C) have been proposed for coating solutions for forming a thin film used in the sol-gel method or the MOD method.
(I) Use barium and titanium metal soap (for example, refer to Patent Document 1).
(B) A barium carboxylate salt such as barium acetate and a raw material of titanium isopropoxide are dissolved in an organic solvent containing ethylene glycol monomethyl ether and hydrolyzed to obtain a composition for forming a barium titanate thin film (for example, , See Patent Document 2).
(C) Barium strontium carboxylate, strontium carboxylate, and titanium isopropoxide are dissolved in an organic solvent as an ester to form a composition for forming a barium strontium titanate thin film (see, for example, Patent Document 3). .
しかしながら、これらの提案においては、多くの技術的課題があり、実用上の問題があった。例えば、(イ)では、焼成での金属石鹸の熱分解時にバリウム及びストロンチウムの炭酸塩は生成されないが、有機成分の揮発による重量変化が大きいため、形成される薄膜にクラックが発生したり、膜の収縮が大きくなるという問題が生じる。また、(ロ)では、原料にカルボン酸塩を用いるため、焼成での結晶化の際に800℃を超える高温が必要である。これにより、絶縁性の悪化が避けられず、リーク電流が大きいために実用化には至っていない。この悪化原因は、高温焼成による膜の急激な収縮、或いは下地電極との反応等により、薄膜内に微小なクラック又はボイドが発生するためと考えられる。また、(ハ)では、溶剤にエステルを用いることで、有機成分の揮発による重量変化は小さく、クラックの発生及び膜の収縮は生じにくい。しかしながら、高価なカルボン酸バリウム塩、カルボン酸ストロンチウム塩を用いなければならないこと、下地電極に金属膜を用いた場合に濡れ性が悪く塗膜の均一性が得られにくいこと、さらに溶剤がエステルのみであると外気による保存性が悪化してしまうこと等の問題があった。 However, these proposals have many technical problems and practical problems. For example, in (i), barium and strontium carbonates are not produced during pyrolysis of metal soap during firing, but the weight change due to volatilization of organic components is large, so cracks occur in the formed thin film, There arises a problem that the shrinkage of the resin becomes large. In (b), since a carboxylate is used as a raw material, a high temperature exceeding 800 ° C. is required for crystallization during firing. As a result, deterioration of insulation is unavoidable, and since leakage current is large, it has not been put into practical use. The cause of this deterioration is considered to be that micro cracks or voids are generated in the thin film due to rapid shrinkage of the film due to high-temperature firing or reaction with the base electrode. In (c), by using an ester as the solvent, the change in weight due to the volatilization of the organic component is small, and cracking and film shrinkage are unlikely to occur. However, expensive barium carboxylate and strontium carboxylate must be used, when a metal film is used for the base electrode, the wettability is poor and it is difficult to obtain a uniform coating film, and the solvent is only an ester. When it is, there existed problems, such as that the preservability by external air will deteriorate.
以上のように、ペロブスカイト型誘電物質からなる高誘電体膜の形成に用いられる塗布法においては、塗布液の保存性、形成される膜のクラックの発生、膜の収縮等の課題をクリアしなければならず、これらを全て満足させ、かつ高い誘電特性を達成することは難しいとされていた。ちなみに、以上のような従来技術の不安定要因により、粉末を焼結する方法で製造されたバルク体では、数千〜1万の比誘電率が得られる材料においても、薄膜化した場合には、比誘電率が500程度以下に止まっているのが現状である。 As described above, in the coating method used for the formation of a high dielectric film made of a perovskite type dielectric material, the problems such as the storage stability of the coating liquid, the occurrence of cracks in the formed film, and the shrinkage of the film must be cleared. Therefore, it has been difficult to satisfy all of these requirements and achieve high dielectric properties. By the way, in the bulk body manufactured by the method of sintering powder due to the instability factors of the prior art as described above, even when a material that can obtain a dielectric constant of several thousand to 10,000 is thinned, At present, the relative dielectric constant remains below about 500.
本発明の目的は、上記の従来技術の問題点に鑑み、MOD法によるペロブスカイト型誘電物質からなる高誘電体膜の形成において、クラックの発生がなく、膜の収縮が小さく、かつ誘電特性に優れた誘電体膜とその形成方法を提供することにある。 In view of the above-mentioned problems of the prior art, the object of the present invention is to form a high dielectric film made of a perovskite-type dielectric material by the MOD method, with no cracks, small film shrinkage, and excellent dielectric properties. Another object of the present invention is to provide a dielectric film and a method for forming the dielectric film.
本発明者らは、上記目的を達成するために、ペロブスカイト型誘電物質からなる高誘電体膜を形成する方法について、鋭意研究を重ねた結果、前述した塗布法による誘電体膜の作製手順において、特定の塗布組成物を塗布液として用い、基板上に特定の膜厚の誘電体塗膜を得る工程と、それを特定の条件で仮焼成して誘電体薄膜を得る工程とを、繰返し行うことによって、3層以上積層してなる多層誘電体薄膜を作製した後、該多層誘電体薄膜を本焼成したところ、多層の高誘電体薄膜層からなり、クラックの発生がなく、膜の収縮が小さく、かつ誘電特性に優れた誘電体膜が得られることを見出し、本発明を完成した。 In order to achieve the above object, the present inventors have conducted extensive research on a method for forming a high dielectric film made of a perovskite-type dielectric material. Using a specific coating composition as a coating liquid, repeatedly performing a process of obtaining a dielectric coating film having a specific thickness on a substrate and a process of obtaining a dielectric thin film by pre-baking it on specific conditions After the multilayer dielectric thin film is formed by laminating three or more layers, the multilayer dielectric thin film is subjected to main firing. In addition, the inventors have found that a dielectric film excellent in dielectric characteristics can be obtained, and completed the present invention.
すなわち、本発明の第1の発明によれば、基板上に、下記の工程(1)、(2)を繰返し行うことによって、3層以上積層してなる多層誘電体薄膜を作製した後、次いで、得られた多層誘電体薄膜に本焼成を行うことを特徴とする高誘電体膜の製造方法が提供される。
工程(1):基板上に、エーテル系溶剤及び/又はアルコール系溶剤と、カルボン酸系溶剤と、エステル系溶剤とからなる混合溶剤に、バリウム、ストロンチウム、マグネシウム及びカルシウムからなる群から選ばれる少なくとも1種のアルカリ土類金属元素と、チタン、スズ、及びジルコニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素とを含有する塗布組成物からなる塗布液を、一回の塗布によって形成される誘電体薄膜の膜厚が仮焼成後で30〜120nmとなるに十分な量だけ塗布した後、乾燥させる。
工程(2):基板上に形成された誘電体薄膜を、酸素雰囲気中、550〜800℃の温度で加熱し、仮焼成する。
That is, according to the first invention of the present invention, after the multilayer dielectric thin film formed by laminating three or more layers on the substrate by repeating the following steps (1) and (2), The present invention provides a method for producing a high dielectric film, comprising subjecting the obtained multilayer dielectric thin film to main firing.
Step (1): At least selected from the group consisting of barium, strontium, magnesium, and calcium in a mixed solvent consisting of an ether solvent and / or an alcohol solvent, a carboxylic acid solvent, and an ester solvent on the substrate. A dielectric formed by a single coating of a coating solution comprising a coating composition containing one alkaline earth metal element and at least one metal element selected from the group consisting of titanium, tin, and zirconium. The body thin film is applied in an amount sufficient to be 30 to 120 nm after calcination and then dried.
Step (2): The dielectric thin film formed on the substrate is heated at a temperature of 550 to 800 ° C. in an oxygen atmosphere and temporarily fired.
また、本発明の第2の発明によれば、第1の発明において、前記基板は、Pt膜/TiO2膜/SiO2層/Si基板であることを特徴とする誘電体膜の形成方法が提供される。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the method for forming a dielectric film according to the first aspect, wherein the substrate is a Pt film / TiO 2 film / SiO 2 layer / Si substrate. Provided.
また、本発明の第3の発明によれば、第2の発明において、前記基板は、前処理が施されていることを特徴とする誘電体膜の形成方法が提供される。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the method for forming a dielectric film according to the second aspect, wherein the substrate is pretreated.
また、本発明の第4の発明によれば、第の発明において、前記前処理は、基板を成膜されたままの状態で、酸素雰囲気中700〜900℃の温度下に加熱処理し、次いで加熱処理された基板の最上層のPt膜上に、有機酸塩熱分解法に用いられる塗布液を塗布した後、酸素雰囲気中700〜900℃の温度下で焼成して、膜厚が30〜80nmの誘電体薄膜からなる反応抑制層を形成させることからなることを特徴とする高誘電体膜の形成方法が提供される。 According to a fourth aspect of the present invention, in the fourth aspect, the pretreatment is performed by heat-treating the substrate at a temperature of 700 to 900 ° C. in an oxygen atmosphere while the film is formed. After coating the coating solution used in the organic acid salt pyrolysis method on the Pt film of the uppermost layer of the heat-treated substrate, the film is baked at a temperature of 700 to 900 ° C. in an oxygen atmosphere to have a film thickness of 30 to There is provided a method for forming a high dielectric film, comprising forming a reaction suppression layer comprising a dielectric thin film of 80 nm.
また、本発明の第5の発明によれば、第1の発明において、前記エーテル系溶剤はメチルセロソルブ、アルコール系溶剤は2−プロパノール又は1−ブタノール、カルボン酸系溶剤は2−エチルヘキサン酸、エステル系溶剤は酢酸ブチル又は酢酸イソペンチルであることを特徴とする高誘電体膜の形成方法が提供される。 According to a fifth aspect of the present invention, in the first aspect, the ether solvent is methyl cellosolve, the alcohol solvent is 2-propanol or 1-butanol, the carboxylic acid solvent is 2-ethylhexanoic acid, There is provided a method for forming a high dielectric film, wherein the ester solvent is butyl acetate or isopentyl acetate.
また、本発明の第6の発明によれば、第1の発明において、工程(1)に用いる塗布液中の金属成分の含有割合は、金属元素濃度換算で、0.2〜0.4mol/Lであることを特徴とする高誘電体膜の形成方法が提供される。 According to the sixth aspect of the present invention, in the first aspect, the content ratio of the metal component in the coating solution used in the step (1) is 0.2 to 0.4 mol / in terms of metal element concentration. A method of forming a high dielectric film characterized by being L is provided.
また、本発明の第7の発明によれば、第1の発明において、前記本焼成は、酸素雰囲気中700〜900℃の温度で行われることを特徴とする高誘電体膜の形成方法が提供される。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the method for forming a high dielectric film according to the first aspect, wherein the main firing is performed at a temperature of 700 to 900 ° C. in an oxygen atmosphere. Is done.
また、本発明の第8の発明によれば、第1〜7いずれかの発明の形成方法により得られることを特徴とするペロブスカイト型誘電物質からなる高誘電体膜が提供される。 According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a high dielectric film made of a perovskite type dielectric material obtained by the formation method of any one of the first to seventh aspects of the invention.
また、本発明の第9の発明によれば、第8の発明において、前記誘電体薄膜層内の複合酸化物の平均結晶粒径は、20〜50nmであることを特徴とする高誘電体膜が提供される。 According to the ninth aspect of the present invention, in the eighth aspect, the average crystal grain size of the composite oxide in the dielectric thin film layer is 20 to 50 nm. Is provided.
本発明の高誘電体膜とその形成方法は、MOD法によるペロブスカイト型誘電物質からなる高誘電体膜を形成する際に、クラックの発生がなく、膜の収縮が小さく、かつ誘電特性に優れた誘電体膜を効率的に形成することができるので、その工業的価値は極めて大きい。 The high dielectric film and the method for forming the same according to the present invention are free from cracks when forming a high dielectric film made of a perovskite-type dielectric material by the MOD method, have small film shrinkage, and have excellent dielectric properties. Since the dielectric film can be formed efficiently, its industrial value is extremely large.
以下、本発明の高誘電体膜とその形成方法を詳細に説明する。
1.高誘電体膜の形成方法
本発明の高誘電体膜の形成方法は、基板上に、下記の工程(1)、(2)を繰返し行うことによって、3層以上積層してなる多層誘電体薄膜を作製した後、次いで、得られた多層誘電体薄膜に本焼成を行うことを特徴とする。
工程(1):基板上に、エーテル系溶剤及び/又はアルコール系溶剤と、カルボン酸系溶剤と、エステル系溶剤とからなる混合溶剤に、バリウム、ストロンチウム、マグネシウム及びカルシウムからなる群から選ばれる少なくとも1種のアルカリ土類金属元素と、チタン、スズ、及びジルコニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素とを含有する塗布組成物からなる塗布液を、一回の塗布によって形成される誘電体薄膜の膜厚が仮焼成後で30〜120nmとなるに十分な量だけ塗布した後、乾燥させる。
工程(2):基板上に形成された誘電体薄膜を、酸素雰囲気中、550〜800℃の温度で加熱し、仮焼成する
これによって、クラックの発生がなく、膜の収縮が小さく、かつ誘電特性に優れた誘電体膜が得られる。
Hereinafter, the high dielectric film of the present invention and the method for forming the same will be described in detail.
1. High Dielectric Film Forming Method The high dielectric film forming method of the present invention is a multilayer dielectric thin film formed by laminating three or more layers on a substrate by repeating the following steps (1) and (2). Then, the obtained multilayer dielectric thin film is subjected to main firing.
Step (1): At least selected from the group consisting of barium, strontium, magnesium, and calcium in a mixed solvent consisting of an ether solvent and / or an alcohol solvent, a carboxylic acid solvent, and an ester solvent on the substrate. A dielectric formed by a single coating of a coating solution comprising a coating composition containing one alkaline earth metal element and at least one metal element selected from the group consisting of titanium, tin, and zirconium. The body thin film is applied in an amount sufficient to be 30 to 120 nm after calcination and then dried.
Step (2): The dielectric thin film formed on the substrate is heated at a temperature of 550 to 800 ° C. in an oxygen atmosphere and pre-baked. Thereby, there is no generation of cracks, and the film shrinkage is small. A dielectric film having excellent characteristics can be obtained.
本発明において、工程(1)で塗布液を塗布する際に仮焼成後の誘電体薄膜1層あたりの膜厚が30〜120nmになるように塗布すること、誘電体薄膜を形成する際に酸素雰囲気中550〜800℃の温度で加熱して仮焼成すること、及び工程(1)、(2)の繰返し回数が3回以上であることが重要である。これによって、得られる誘電体膜の断面は、30〜120nmの膜厚を有する誘電体薄膜層が3層以上積層された構造を有するものになり、このような誘電体薄膜を積層して得られた誘電体膜は、それを構成する誘電体薄膜層のそれぞれが優れた誘電特性を有するので、特に優れた誘電特性を発現する。 In the present invention, when applying the coating liquid in the step (1), the coating is performed so that the film thickness per dielectric thin film after temporary baking is 30 to 120 nm, and oxygen is formed when forming the dielectric thin film. It is important that heating is performed at a temperature of 550 to 800 ° C. in the atmosphere to perform preliminary firing, and the number of repetitions of steps (1) and (2) is three or more. As a result, the obtained dielectric film has a cross-section having a structure in which three or more dielectric thin film layers having a thickness of 30 to 120 nm are laminated, and is obtained by laminating such dielectric thin films. The dielectric film exhibits particularly excellent dielectric characteristics because each of the dielectric thin film layers constituting the dielectric film has excellent dielectric characteristics.
すなわち、仮焼成は塗布膜中の溶剤を排除するために行なわれるが、仮焼成の温度を、通常の300〜500℃から、550〜800℃に高めることで、誘電体薄膜は完全結晶化され、かつ結晶粒成長も促進される。これにより、形成された誘電体薄膜はそれ自体が誘電体としての機能が十分に発現され、1層あたり誘電特性が上昇している。 That is, the preliminary baking is performed to eliminate the solvent in the coating film, but the dielectric thin film is completely crystallized by increasing the temperature of the temporary baking from the normal 300 to 500 ° C. to 550 to 800 ° C. And crystal grain growth is also promoted. As a result, the formed dielectric thin film itself sufficiently functions as a dielectric, and the dielectric characteristics per layer are increased.
また、上記方法において、塗布液として、エーテル系溶剤及び/又はアルコール系溶剤と、カルボン酸系溶剤と、エステル系溶剤とからなる溶剤に、金属成分としてバリウム、ストロンチウム、マグネシウム及びカルシウムからなる群から選ばれる少なくとも1種のアルカリ土類金属元素と、チタン、スズ、及びジルコニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素を含有する塗布組成物を用いることに、重要な意義を有する。これによって、誘電体を構成するペロブスカイト型誘電物質からなる各誘電体薄膜層において、クラックの発生がなく、膜の収縮が小さく、かつ誘電特性に優れた誘電体を形成することができる。すなわち、前記塗布組成物を構成する溶剤を選ぶことにより、金属成分の溶解性、塗膜性、保存性、及び膜の結晶性を満足させる塗布液が得られる。 In the above method, the coating liquid is a solvent comprising an ether solvent and / or an alcohol solvent, a carboxylic acid solvent, and an ester solvent, and the metal component is selected from the group consisting of barium, strontium, magnesium and calcium. It is important to use a coating composition containing at least one selected alkaline earth metal element and at least one metal element selected from the group consisting of titanium, tin and zirconium. Thereby, in each dielectric thin film layer made of a perovskite type dielectric material constituting the dielectric, it is possible to form a dielectric having no cracks, small film shrinkage, and excellent dielectric characteristics. That is, by selecting a solvent that constitutes the coating composition, a coating solution that satisfies the solubility, coating properties, storage stability, and film crystallinity of the metal component can be obtained.
(1)塗布組成物とその製造方法
上記塗布組成物の製造方法としては、特に限定されるものではないが、下記の(a)〜(d)の工程を含むことを特徴とする。
(a)バリウム、ストロンチウム、マグネシウム及びカルシウムからなる群から選ばれる少なくとも1種のアルカリ土類金属元素の金属、そのアルコキシド又はカルボン酸塩を、エーテル系溶剤及び/又はアルコール系溶剤と、カルボン酸系溶剤又はそれを含むエステル系溶剤とからなる混合液に添加した後、窒素又は不活性ガス雰囲気下に80〜110℃の温度で加熱処理して、金属元素濃度が0.2〜0.8mol/Lの有機酸塩液(A)を調製する工程、
(b)チタン、スズ及びジルコニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素のアルコキシド又はカルボン酸塩を、エステル系溶剤中に添加して、金属元素濃度が0.2〜0.8mol/Lのアルコキシド液(B)を調製する工程、
(c)有機酸塩液(A)とアルコキシド液(B)とを、前者に含まれる金属元素の合計量と後者に含まれる金属元素の合計量とがモル比で等しくなるような配合割合で混合した後、窒素又は不活性ガス雰囲気下に80〜110℃の温度で加熱処理して複合有機酸塩液(C)を合成する工程、
(d)得られた複合有機酸塩液(C)を、窒素又は不活性ガス雰囲気下80〜125℃の温度で加熱処理し、それにより上記複合アルコキシド化反応を促進させながら、金属元素濃度が1.0〜1.6mol/Lになるように濃縮させた後、さらに、アルコール系溶剤とエステル系溶剤とを添加して、金属元素濃度を0.2〜0.4mol/Lに希釈する工程、
(1) Coating composition and production method thereof The production method of the coating composition is not particularly limited, and includes the following steps (a) to (d).
(A) a metal of at least one alkaline earth metal element selected from the group consisting of barium, strontium, magnesium and calcium, an alkoxide or a carboxylate thereof, an ether solvent and / or an alcohol solvent, and a carboxylic acid After being added to a mixed solution comprising a solvent or an ester solvent containing the same, heat treatment is performed at a temperature of 80 to 110 ° C. in a nitrogen or inert gas atmosphere, so that the metal element concentration is 0.2 to 0.8 mol / A step of preparing an organic acid salt solution (A) of L,
(B) An alkoxide or carboxylate of at least one element selected from the group consisting of titanium, tin and zirconium is added to an ester solvent, and the metal element concentration is 0.2 to 0.8 mol / L. A step of preparing an alkoxide liquid (B),
(C) The organic acid salt solution (A) and the alkoxide solution (B) are mixed in such a proportion that the total amount of metal elements contained in the former and the total amount of metal elements contained in the latter are equal in molar ratio. A step of synthesizing a complex organic acid salt solution (C) by mixing at a temperature of 80 to 110 ° C. in a nitrogen or inert gas atmosphere after mixing,
(D) The obtained complex organic acid salt solution (C) is heat-treated at a temperature of 80 to 125 ° C. in a nitrogen or inert gas atmosphere, thereby promoting the complex alkoxidation reaction, while the metal element concentration is increased. Step of diluting the metal element concentration to 0.2 to 0.4 mol / L by adding an alcohol solvent and an ester solvent after concentrating to 1.0 to 1.6 mol / L ,
上記製造方法において、上記工程の手順に従って行なうことが重要である。この手順が違うと、得られる塗布液の安定性が劣ったり、或いは膜形成の際の焼成時に構成金属が揮発して膜組成が液組成からずれてしまうことが起こる。 In the manufacturing method, it is important to carry out according to the procedure of the above steps. If this procedure is different, the stability of the resulting coating solution may be inferior, or the constituent metal may volatilize during baking during film formation, causing the film composition to deviate from the liquid composition.
上記製造方法の(a)の工程は、バリウム、ストロンチウム、マグネシウム及びカルシウムからなる群から選ばれる少なくとも1種のアルカリ土類金属元素の金属、そのアルコキシド又はカルボン酸塩を、エーテル系溶剤(以下、エーテルと略称する場合がある。)及び/又はアルコール系溶剤(以下、アルコールと略称する場合がある。)と、カルボン酸系溶剤(以下、カルボン酸と略称する場合がある。)又はそれを含むエステル系溶剤(以下、エステルと略称する場合がある。)とからなる混合液に添加した後、窒素又は不活性ガス雰囲気下に80〜110℃の温度で加熱処理し、金属元素濃度が0.2〜0.8mol/Lの有機酸塩液(A)を調製する工程である。 The step (a) of the above production method comprises at least one alkaline earth metal element metal selected from the group consisting of barium, strontium, magnesium and calcium, an alkoxide or carboxylate thereof, an ether solvent (hereinafter, And / or an alcohol solvent (hereinafter sometimes abbreviated as alcohol) and a carboxylic acid solvent (hereinafter sometimes abbreviated as carboxylic acid) or a mixture thereof. After adding to a mixed solution composed of an ester solvent (hereinafter sometimes abbreviated as an ester), heat treatment is performed at a temperature of 80 to 110 ° C. in a nitrogen or inert gas atmosphere, and the metal element concentration is 0.1. This is a step of preparing a 2-0.8 mol / L organic acid salt solution (A).
上記(a)の工程では、原料形態、並びに有機溶剤等とその配合比を選ぶことにより、有機酸塩液(A)中の金属の溶解性と保存性、さらに高誘電体薄膜形成用塗布組成物の塗膜性、及び膜欠陥の原因となる揮発又は分解性等を満足させる効果が得られる。
例えば、エステル及びエーテルは加えることで、液の安定性が向上する。特に、エステルは液に加えることで塗膜性を向上させる効果がある。
In the step (a), by selecting the raw material form, the organic solvent, and the blending ratio thereof, the solubility and storage stability of the metal in the organic acid salt solution (A), and the coating composition for forming a high dielectric thin film The effect which satisfies the volatility or decomposability etc. which cause the coating-film property of a thing and a film defect is acquired.
For example, the stability of the liquid is improved by adding an ester and an ether. In particular, the ester has the effect of improving the coating properties by being added to the liquid.
ここで、バリウム、ストロンチウム、マグネシウム及びカルシウム等のアルカリ土類金属元素の原料として金属を用いて、2−プロパノール又はメチルセロソルブで溶解する場合、溶解度が高く、かつ水混和性の低いカルボン酸又はエステルを適量混合しておけば、その一部は金属アルコキシドのアルキル基と置換反応し安定した有機酸塩液が調製される。 Here, when a metal is used as a raw material for alkaline earth metal elements such as barium, strontium, magnesium and calcium, and is dissolved in 2-propanol or methyl cellosolve, the carboxylic acid or ester having high solubility and low water miscibility If an appropriate amount of is mixed, a part of it will undergo substitution reaction with the alkyl group of the metal alkoxide to prepare a stable organic acid salt solution.
また、カルボン酸塩としては、特に限定されるものではないが、酢酸バリウム、酢酸カルシウム、エチルヘキサン酸カルシウム等の低級カルボン酸塩が好ましい。これらを原料とする場合、その多くは低級アルコールに溶解しにくいため、カルボン酸、又はエステルとカルボン酸で溶解した後、アルコールで希釈して用いる。 Further, the carboxylate is not particularly limited, but a lower carboxylate such as barium acetate, calcium acetate, calcium ethylhexanoate is preferable. When these are used as raw materials, many of them are difficult to dissolve in lower alcohols, so they are dissolved in carboxylic acid or ester and carboxylic acid and then diluted with alcohol.
また、アルコキシドとしては、特に限定されるものではなく、メトキシド、エトキシド、イソプロポキシド、ブトキシド等が挙げられるが、特に、適当な反応速度であることから、イソプロポキシド又はブトキシドを用いるのが好ましい。これらを原料とする場合、高級アルコール、カルボン酸、エステル、またはその混合溶媒が好適に使用できる。なお、低級アルコールは水分を含むために不安定化するため好ましくない。 Further, the alkoxide is not particularly limited, and examples thereof include methoxide, ethoxide, isopropoxide, butoxide and the like, but it is particularly preferable to use isopropoxide or butoxide because of an appropriate reaction rate. . When these are used as raw materials, higher alcohols, carboxylic acids, esters, or mixed solvents thereof can be suitably used. In addition, since lower alcohol contains water | moisture content and becomes unstable, it is not preferable.
上記(a)の工程において、混合液中のエーテル及び/又はアルコールと、カルボン酸及びエステルとの配合割合としては、特に限定されるものではなく、容積比で2:3〜3:2であることが好ましい。すなわち、配合割合がこの範囲外になると、溶解が不十分となり、未溶解物が発生しやすくなり、これにより沈殿が生成して液が不安定になるため好ましくない。これにより、液安定性は高まるので、即座にアルコキシド液(B)と混合してペロブスカイト型誘電物質を合成しなくとも、密閉容器に入れておけば3ヶ月間はまったく変化がないものが得られる。ただし、カルボン酸を加えず、例えばアルコールとエステルとの混合溶剤であると、金属の溶解度が低く、かつ液の保存性が劣る。 In the step (a), the blending ratio of the ether and / or alcohol, the carboxylic acid and the ester in the mixed solution is not particularly limited, and the volume ratio is 2: 3 to 3: 2. It is preferable. That is, if the blending ratio is outside this range, dissolution is insufficient and undissolved substances are likely to be generated, which is not preferable because precipitation occurs and the liquid becomes unstable. As a result, the stability of the liquid is increased, and even if it is not immediately mixed with the alkoxide liquid (B) to synthesize the perovskite type dielectric material, it can be obtained in a sealed container without any change for 3 months. . However, when no carboxylic acid is added, for example, a mixed solvent of alcohol and ester, the solubility of the metal is low and the storage stability of the liquid is poor.
これに対して、エーテル、アルコール、カルボン酸又はエステル等の有機溶剤を単独で、或いは本発明の条件以外で任意に組合わせて用いると、上記効果が得られない。
例えば、バリウム、ストロンチウム、マグネシウム、カルシウム等アルカリ土類金属元素の原料として金属を用いた場合、アルコール又はエーテルに容易に溶解するが、得られるアルコキシド液は水に対する安定性が欠けるため、外気に晒すことができず、また保存性が悪いという問題がある。一般的には、これにジケトン類であるアセチルアセトン、アセト酢酸エチル等を金属アルコキシドと等モル量加えることにより、液の安定性を高めることが行なわれるが、誘電体薄膜の下地電極である金属膜とのぬれ性が悪く、また膜焼成時にクラックが生じて膜密度が低下するという問題がある。
On the other hand, when an organic solvent such as ether, alcohol, carboxylic acid or ester is used alone or in any combination other than the conditions of the present invention, the above effects cannot be obtained.
For example, when metals are used as raw materials for alkaline earth metal elements such as barium, strontium, magnesium, calcium, etc., they are easily dissolved in alcohol or ether, but the resulting alkoxide solution lacks stability against water and is therefore exposed to the open air. There is a problem that it cannot be stored and storage stability is poor. Generally, diketone acetylacetone, ethyl acetoacetate, and the like are added to the metal alkoxide in an equimolar amount to improve the stability of the liquid, but the metal film that is the base electrode of the dielectric thin film There is a problem that the wettability of the film is poor, and cracks are generated during film baking, resulting in a decrease in film density.
また、低級カルボン酸塩を原料とした場合、前述したように、その多くは低級アルコールに溶解しにくいため、一般的には、エステル又はカルボン酸を用いて溶解される。しかしながら、エステルだけを用いると、カルボン酸塩の溶解度が低いため、保存時に粒子が析出する。さらに、誘電体薄膜の下地電極である金属膜とのぬれ性が悪く、均一な膜が得られないという問題がある。一方、カルボン酸は、溶解性が高く、かつ水混和性も低いために保存性を安定させる有用な有機溶剤であるが、加熱により揮発除去されにくい。したがって、カルボン酸を多量に用いると、膜形成時に有機成分が残留する。エステルとカルボン酸の混合溶液にしても同様である。 In addition, when a lower carboxylate is used as a raw material, as described above, many of them are difficult to dissolve in a lower alcohol, so that they are generally dissolved using an ester or a carboxylic acid. However, when only an ester is used, particles are precipitated during storage because of the low solubility of the carboxylate. Furthermore, there is a problem that the wettability with the metal film as the base electrode of the dielectric thin film is poor and a uniform film cannot be obtained. On the other hand, carboxylic acid is a useful organic solvent that stabilizes storage stability because it has high solubility and low water miscibility, but it is difficult to volatilize and remove by heating. Therefore, when a large amount of carboxylic acid is used, an organic component remains during film formation. The same applies to a mixed solution of an ester and a carboxylic acid.
また、上記(a)の工程で用いるエーテル、アルコール、カルボン酸又はエステルとしては、特に限定されるものではないが、原料の溶解性、有機酸塩液の安定性、膜形成時の塗布性、膜熱処理時の揮発又は分解性が良好でないと膜の誘電特性が悪化するため、それらの最適化を図るため選定することできる。 In addition, the ether, alcohol, carboxylic acid or ester used in the step (a) is not particularly limited, but the solubility of the raw material, the stability of the organic acid salt solution, the coating property during film formation, If the volatilization or decomposability at the time of film heat treatment is not good, the dielectric properties of the film will deteriorate, so it can be selected to optimize them.
上記(a)の工程において用いるエーテルとしては、沸点が200℃以下であるメチルセロソルブ又はエチルセロソルブが好ましく、メチルセロソルブがより好ましい。 As the ether used in the step (a), methyl cellosolve or ethyl cellosolve having a boiling point of 200 ° C. or less is preferable, and methyl cellosolve is more preferable.
上記(a)の工程において用いるアルコールとしては、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール及びメタノールからなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましく、2−プロパノール及び1−ブタノールがより好ましい。すなわち、使用するアルコールの沸点としては、80〜160℃が好ましく、80〜130℃がより好ましい。すなわち、沸点が160℃以下のものを混合することで、形成された膜の熱処理時の揮発又は分解性を向上させ、収縮及びクラックの少ない膜が得られる。しかしながら、沸点が80℃未満のアルコール溶剤を用いた場合、金属アルコキシド液を混合し加熱して複合有機酸塩液を合成する際に液濃度が変動して、合成が不安定になる。 The alcohol used in the step (a) is preferably at least one selected from the group consisting of 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol and methanol, more preferably 2-propanol and 1-butanol. preferable. That is, the boiling point of the alcohol used is preferably from 80 to 160 ° C, more preferably from 80 to 130 ° C. That is, by mixing those having a boiling point of 160 ° C. or less, volatilization or decomposability at the time of heat treatment of the formed film is improved, and a film with less shrinkage and cracks can be obtained. However, when an alcohol solvent having a boiling point of less than 80 ° C. is used, when the metal alkoxide solution is mixed and heated to synthesize a composite organic acid salt solution, the concentration of the solution fluctuates and the synthesis becomes unstable.
上記(a)の工程において用いるカルボン酸としては、沸点が200℃以下であり、取り扱い性、溶解性及び安定性に優れる2−エチルヘキサン酸、3−エチルヘキサン酸、及び3−メチルペンタン酸からなる群から選ばれる少なくとも1種のエチルヘキサン酸類が好ましく、2−エチルヘキサン酸がより好ましい。 The carboxylic acid used in the step (a) has a boiling point of 200 ° C. or lower and is excellent in handleability, solubility and stability, from 2-ethylhexanoic acid, 3-ethylhexanoic acid, and 3-methylpentanoic acid. At least one ethylhexanoic acid selected from the group consisting of the above is preferred, and 2-ethylhexanoic acid is more preferred.
上記(a)の工程において用いるエステルとしては、沸点が200℃以下である酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、及び酢酸イソペンチルからなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましく、酢酸ブチル又は酢酸イソペンチルがより好ましい。 The ester used in the step (a) is preferably at least one selected from the group consisting of ethyl acetate, butyl acetate, isobutyl acetate, and isopentyl acetate having a boiling point of 200 ° C. or less, more preferably butyl acetate or isopentyl acetate. preferable.
上記(a)の工程において用いる加熱溶解条件としては、80〜110℃の温度で行なう。すなわち、加熱温度が80℃未満では、有機酸塩の形成が不十分である。一方、加熱温度が110℃を超えると、有機溶剤の揮発が活発になる。また、加熱時間としては、特に限定されるものではなく、2〜10時間が好ましく、有機酸塩の生成が十分に行なわれる時間が選ばれる。 The heating and melting conditions used in the step (a) are performed at a temperature of 80 to 110 ° C. That is, when the heating temperature is less than 80 ° C., the formation of the organic acid salt is insufficient. On the other hand, when the heating temperature exceeds 110 ° C., volatilization of the organic solvent becomes active. Moreover, it does not specifically limit as heating time, 2 to 10 hours are preferable, and the time for the production | generation of organic acid salt is fully chosen is selected.
上記(a)の工程において得られる有機酸塩液(A)の金属元素濃度としては、0.2〜0.8mol/Lである。すなわち、金属元素濃度が0.2mol/L未満では、濃度が希薄なため生産性が低下し、一方金属元素濃度が0.8mol/Lを超えると、溶解が不十分になり液が安定しない問題がある。 The concentration of the metal element in the organic acid salt solution (A) obtained in the step (a) is 0.2 to 0.8 mol / L. That is, when the metal element concentration is less than 0.2 mol / L, the productivity is low because the concentration is dilute. On the other hand, when the metal element concentration exceeds 0.8 mol / L, the solution becomes insufficient and the solution is not stable. There is.
上記製造方法の(b)の工程は、チタン、スズ及びジルコニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素のアルコキシド又はカルボン酸塩を、エステル系溶剤中に添加後、窒素又は不活性ガス雰囲気下に20〜60℃の温度で加熱して溶解し、金属元素濃度が0.2〜0.8mol/Lのアルコキシド液(B)を調製する工程である。なお、金属アルコキシドは、一般式:M(OR )n(ただし、式中Rは直鎖状又は分岐状アルキル基を、式中Mは金属元素を表す。また、式中nは2又は4である。)で表され、例えば、チタンアルコキシドの化学式はTi(OR )4である。 The step (b) of the above production method comprises adding an alkoxide or carboxylate of at least one element selected from the group consisting of titanium, tin and zirconium in an ester solvent, and then in a nitrogen or inert gas atmosphere. In which the alkoxide liquid (B) having a metal element concentration of 0.2 to 0.8 mol / L is prepared by heating at a temperature of 20 to 60 ° C. for dissolution. The metal alkoxide is represented by the general formula: M (OR) n (wherein R represents a linear or branched alkyl group, M represents a metal element, and n is 2 or 4) For example, the chemical formula of titanium alkoxide is Ti (OR 3) 4 .
上記(b)の工程において用いるアルコキシドとしては、特に限定されるものではなく、メトキシド、エトキシド、イソプロポキシド、ブトキシド等が挙げられるが、特に、適当な反応速度であることから、イソプロポキシド又はブトキシドを用いるのが好ましい。
また、上記(2)の工程において用いるカルボン酸塩としては、特に限定されるものではなく、酢酸塩又はエチルヘキサン酸塩を用いることができる。
The alkoxide used in the step (b) is not particularly limited, and examples thereof include methoxide, ethoxide, isopropoxide, butoxide, and the like. In particular, since the reaction rate is appropriate, isopropoxide or It is preferable to use butoxide.
In addition, the carboxylate used in the step (2) is not particularly limited, and acetate or ethylhexanoate can be used.
上記(b)の工程において用いる有機溶剤としては、エステル系溶剤、特に酢酸エステルを用いる。すなわち、アルコールを加えた混合溶液であると、徐々に白濁し沈殿する場合がある。 As the organic solvent used in the step (b), an ester solvent, particularly an acetate ester is used. That is, when the mixed solution is added with alcohol, it may gradually become cloudy and precipitate.
上記エステルとしては、沸点が200℃以下である酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、及び酢酸イソペンチルからなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましく、酢酸ブチル又は酢酸イソペンチルがより好ましい。 The ester is preferably at least one selected from the group consisting of ethyl acetate, butyl acetate, isobutyl acetate, and isopentyl acetate having a boiling point of 200 ° C. or less, and more preferably butyl acetate or isopentyl acetate.
上記(b)の工程において用いる加熱溶解条件としては、20〜60℃の温度で行なう。すなわち、加熱温度が20℃未満では、金属アルコキシドの形成が不十分である。一方、加熱温度が60℃を超えると、有機溶剤の揮発が活発になる。また、加熱時間としては、特に限定されるものではなく、10分〜2時間が好ましく、金属アルコキシドの形成が十分に行なわれる時間が選ばれる。 The heating and melting conditions used in the step (b) are performed at a temperature of 20 to 60 ° C. That is, when the heating temperature is less than 20 ° C., the formation of the metal alkoxide is insufficient. On the other hand, when heating temperature exceeds 60 degreeC, volatilization of the organic solvent will become active. Moreover, it does not specifically limit as heating time, 10 minutes-2 hours are preferable, and time for formation of metal alkoxide fully is chosen.
上記(b)の工程において得られるアルコキシド液(B)の金属元素濃度としては、0.2〜0.8mol/Lである。すなわち、金属元素濃度が0.2mol/L未満では、濃度が希薄になると生産性が低下し、一方、金属元素濃度が0.8mol/Lを超えると、溶解が不十分となり液が安定しない。 The metal element concentration of the alkoxide liquid (B) obtained in the step (b) is 0.2 to 0.8 mol / L. That is, when the metal element concentration is less than 0.2 mol / L, the productivity decreases when the concentration is dilute. On the other hand, when the metal element concentration exceeds 0.8 mol / L, dissolution is insufficient and the liquid is not stable.
上記製造方法の(c)の工程は、有機酸塩液(A)とアルコキシド液(B)とを、前者に含まれる金属元素の合計量と後者に含まれる金属元素の合計量とがモル比で等しくなるような配合割合で混合した後、窒素又は不活性ガス雰囲気下に80〜125℃の温度で加熱処理して複合有機酸塩液(C)を合成する工程である。ここで、有機酸塩液(A)とアルコキシド液(B)に含まれる金属アルコキシド等が反応して、熱分解により上記ペロブスカイト型複合酸化物を形成する複合有機酸塩が合成される。 In the step (c) of the above production method, the organic acid salt solution (A) and the alkoxide solution (B) are obtained by adding a molar ratio of the total amount of metal elements contained in the former and the total amount of metal elements contained in the latter. In the step of mixing the mixed organic acid salt liquid (C) by mixing at a blending ratio so as to be equal to each other and then heat-treating at a temperature of 80 to 125 ° C. in a nitrogen or inert gas atmosphere. Here, the organic acid salt liquid (A) and the metal alkoxide contained in the alkoxide liquid (B) react to synthesize a complex organic acid salt that forms the perovskite complex oxide by thermal decomposition.
上記(c)の工程において用いる加熱条件としては、80〜125℃の温度で行なう。すなわち、加熱温度が80℃未満では、合成反応が不十分であり構成元素が単独で存在し、加水分解速度に差が生じて膜組成の均一性が劣る。一方、加熱温度が125℃を超えると、有機溶媒の揮発が活発化するだけでなく、金属アルコキシドも同時に揮発して組成ずれが起こる。また、加熱時間としては、特に限定されるものではなく、2〜10時間が好ましく、合成が十分に行なわれる時間が選ばれる。 The heating condition used in the step (c) is 80 to 125 ° C. That is, when the heating temperature is less than 80 ° C., the synthesis reaction is insufficient, the constituent elements exist alone, the difference in hydrolysis rate occurs, and the uniformity of the film composition is inferior. On the other hand, when the heating temperature exceeds 125 ° C., not only the volatilization of the organic solvent is activated, but also the metal alkoxide is volatilized at the same time, resulting in a composition shift. Moreover, it does not specifically limit as heating time, 2-10 hours are preferable and the time for which synthesis | combination is fully performed is selected.
上記製造方法の(d)の工程は、得られた複合有機酸塩液(C)を、窒素又は不活性ガス雰囲気下80〜125℃の温度で加熱処理し、それにより上記複合有機酸塩化反応を促進させながら、金属元素濃度が1.0〜1.6mol/Lになるように濃縮させた後、さらにアルコール系溶剤とエステル系溶剤とを添加して、金属元素濃度を0.2〜0.4mol/Lに希釈する工程である。これによって、塗膜性と保存性等を満足させ、クラックの発生がなく、膜の収縮が小さく、かつ誘電特性に優れた誘電体薄膜を形成することができる高誘電体薄膜形成用の塗布組成物が得られる。 In the step (d) of the production method, the obtained complex organic acid salt solution (C) is heat-treated at a temperature of 80 to 125 ° C. in a nitrogen or inert gas atmosphere, whereby the complex organic acidification reaction is performed. After concentrating the metal element concentration to 1.0 to 1.6 mol / L, further adding an alcohol solvent and an ester solvent to reduce the metal element concentration to 0.2 to 0. This is a step of diluting to 4 mol / L. As a result, the coating composition for forming a high dielectric thin film that satisfies the coating properties and storage stability, does not generate cracks, has a small film shrinkage, and has excellent dielectric properties. Things are obtained.
ここで、まず、複合有機酸塩液(C)を80〜125℃の不活性ガス雰囲気下で加熱して、溶媒の一部を揮発させ、一旦、金属元素濃度が1.0〜1.6mol/Lの高濃度液を調製する。加熱しながら不活性ガスを導入することにより、有機溶媒が揮発する。この際、揮発する有機溶媒の大部分は、沸点の低い、特にアルコール又はエステルである。これにより濃度が高まることにより、合成反応は一層促進される。ただし、高濃度化しすぎると析出が起こるために、1.6mol/Lが上限となる。一方、1.0mol/L未満では合成効果が期待できない。このときの加熱温度としては、合成反応が進行する80〜125℃が用いられる。なお、温度が125℃を超えると、金属アルコキシドの揮発が起こる。 Here, first, the complex organic acid salt solution (C) is heated in an inert gas atmosphere at 80 to 125 ° C. to volatilize a part of the solvent, and once the metal element concentration is 1.0 to 1.6 mol. A high concentration solution of / L is prepared. The organic solvent is volatilized by introducing the inert gas while heating. At this time, most of the volatile organic solvent is a low boiling point, particularly an alcohol or an ester. Thereby, the synthesis reaction is further promoted by increasing the concentration. However, since precipitation occurs when the concentration is too high, 1.6 mol / L is the upper limit. On the other hand, if it is less than 1.0 mol / L, the synthesis effect cannot be expected. As the heating temperature at this time, 80 to 125 ° C. at which the synthesis reaction proceeds is used. In addition, when temperature exceeds 125 degreeC, volatilization of a metal alkoxide will occur.
次に、高濃度液に希釈剤としてエステルとアルコールを室温で添加し混合して、金属元素濃度を0.2〜0.4mol/Lに調整する。ここで、希釈剤としては、合成した液の構造が壊れにくいアルコールを主成分として添加を行なう。ただし、高濃度化によりエステルが減少しているので、このままでは塗膜性が劣る。そのため、エステルを加えておくことが必要である。 Next, an ester and alcohol are added to the high concentration liquid as a diluent at room temperature and mixed to adjust the metal element concentration to 0.2 to 0.4 mol / L. Here, as a diluent, the main component is alcohol which does not easily break the structure of the synthesized liquid. However, since the ester is reduced by increasing the concentration, the coating properties are inferior as it is. Therefore, it is necessary to add ester.
上記エステルとしては、特に限定されるものではなく、酢酸ブチル又は酢酸イソブチルが好ましく、かつ前記アルコールとしては、2−プロパノール及び/又は1−ブタノールが好ましい。その配合比としては、アルコール:エステル=4:1〜2:1が好ましい。 The ester is not particularly limited, and butyl acetate or isobutyl acetate is preferable, and 2-propanol and / or 1-butanol is preferable as the alcohol. As the blending ratio, alcohol: ester = 4: 1 to 2: 1 is preferable.
上記製造方法により、塗膜性と保存性等を満足させ、さらに、クラックの発生がなく、膜の収縮が小さく、かつ誘電特性に優れた誘電体薄膜を形成することができる高誘電体薄膜形成用の塗布組成物が得られる。また、上記塗布組成物中には、塗膜性、保存性、結晶性等の塗布液としての性能を向上させるための各種の添加剤を加えることができる。前記添加剤の添加は、(d)の工程、又はそれ以降において行なわれる。 High dielectric thin film formation that can form a dielectric thin film that satisfies the coating properties and storability by the above manufacturing method, and that is free from cracks, has a small film shrinkage, and has excellent dielectric properties. A coating composition is obtained. Various additives for improving the performance as a coating solution such as coating properties, storage stability, and crystallinity can be added to the coating composition. The additive is added in the step (d) or thereafter.
(2)基板とその前処理方法
上記形成方法に用いる基板としては、特に限定されるものではなく、例えば、Si、Pt/Ti/SiO2/Si、Pt/Ta/SiO2/Si、Pt/SiO2/Si、Ru/RuO2/SiO2 /Si、RuO2/Si、RuO2/Ru/SiO2/Si、Ir/IrO2/Si、Pt/Ir/IrO2/Si、Pt/IrO2/Si、Pt/TiO2/SiO2/Si等の基板が挙げられるが、この中で、Pt膜/TiO2膜/SiO2層/Si基板が好ましく、下記前処理を行なった基板(以下、前処理基板と呼称する場合がある。)が特に好ましい。
(2) Substrate and its pretreatment method The substrate used in the above-mentioned forming method is not particularly limited. For example, Si, Pt / Ti / SiO 2 / Si, Pt / Ta / SiO 2 / Si, Pt / SiO 2 / Si, Ru / RuO 2 / SiO 2 / Si, RuO 2 / Si, RuO 2 / Ru / SiO 2 / Si, Ir / IrO 2 / Si, Pt / Ir / IrO 2 / Si, Pt / IrO 2 / Si, Pt / TiO 2 / SiO 2 / Si, and the like are mentioned. Among them, Pt film / TiO 2 film / SiO 2 layer / Si substrate is preferable, and the substrate subjected to the following pretreatment (hereinafter, Particularly preferred is a pre-treated substrate).
上記Pt膜/TiO2膜/SiO2層/Si基板としては、特に限定されるものではなく、SiO2層/Si基板上に、TiO2膜及びPt膜が成膜されたままの状態であり、Pt膜の膜厚が100〜300nm、TiO2膜の膜厚が80〜150nmであるものが用いられるが、その作成方法としては、例えば、市販のSiO2/Si基板上にスパッタリング法でTiを100nmの膜厚で成膜した後、一旦取り出して、大気中600〜700℃で1〜2時間加熱して酸化処理し、得られた基板のTiO2膜上にPt膜をスパッタリング法で200nmの膜厚で成膜する。 The Pt film / TiO 2 film / SiO 2 layer / Si substrate is not particularly limited, and the TiO 2 film and the Pt film are still formed on the SiO 2 layer / Si substrate. A film having a Pt film thickness of 100 to 300 nm and a TiO 2 film thickness of 80 to 150 nm is used. As a method for producing the Pt film, for example, a Ti film is formed on a commercially available SiO 2 / Si substrate by sputtering. After being formed into a film having a thickness of 100 nm, the film was once taken out and oxidized at 600 to 700 ° C. in the atmosphere for 1 to 2 hours, and a Pt film was formed on the TiO 2 film of the obtained substrate by sputtering to 200 nm. The film is formed with a film thickness.
ところが、通常のPt膜/TiO2膜/SiO2層/Si基板は、この成膜されたままの状態で、Pt膜上にペロブスカイト型複合酸化物からなる誘電体薄膜を形成し結晶化のため600〜900℃で高温焼成すると、誘電体薄膜とPt膜界面で反応が起こり、結果として誘電体の誘電率が低下するという問題があった。 However, in a normal Pt film / TiO 2 film / SiO 2 layer / Si substrate, a dielectric thin film made of a perovskite type complex oxide is formed on the Pt film in this state as it is for crystallization. When firing at a high temperature of 600 to 900 ° C., a reaction occurs at the interface between the dielectric thin film and the Pt film, resulting in a problem that the dielectric constant of the dielectric decreases.
この対策として、上記基板の前処理として、基板を成膜されたままの状態で酸素雰囲気中700〜900℃の温度下に加熱処理し、次いで加熱処理された基板の最上層のPt膜上に、有機酸塩熱分解法に用いられる塗布液を塗布した後、酸素雰囲気中700〜900℃の温度下で焼成し、膜厚が30〜80nmの誘電体薄膜からなる反応抑制層を形成することが好ましい。これによって、誘電体の誘電率の低下を防止することができる。
すなわち、上記基板を、成膜されたままの状態で、酸素雰囲気中700〜900℃の温度下に加熱処理することによって、事前にTiO2膜中のTi成分を完全に酸化しておくことにより、高温焼成時にPt膜内にさらに拡散するTi成分を抑制することができる。
As a countermeasure for this, as a pretreatment of the substrate, the substrate is heat-treated in an oxygen atmosphere at a temperature of 700 to 900 ° C. with the film being formed, and is then applied to the uppermost Pt film of the heat-treated substrate. After applying the coating solution used in the organic acid salt pyrolysis method, firing in an oxygen atmosphere at a temperature of 700 to 900 ° C. to form a reaction suppression layer made of a dielectric thin film having a thickness of 30 to 80 nm Is preferred. As a result, a decrease in the dielectric constant of the dielectric can be prevented.
In other words, the Ti component in the TiO 2 film is completely oxidized in advance by heat-treating the substrate as it is in a state of 700 to 900 ° C. in an oxygen atmosphere. Further, it is possible to suppress the Ti component that further diffuses into the Pt film during high-temperature firing.
上記加熱処理する際の温度としては、700〜900℃であり、この温度で2時間以内で加熱処理することが好ましく、20分〜2時間加熱処理することがより好ましい。すなわち、温度が700℃未満では、Ti成分の拡散の抑制が不十分である。一方、900℃を超えると、Pt膜自体の結晶化が促進されて、表面の凹凸が激しくなり、膜の平坦性が問題となる。また、加熱時間が2時間を超えると、Pt膜自体の結晶化が促進される。なお、このときPt膜とTiO2膜間で剥離は生じない。 The temperature for the heat treatment is 700 to 900 ° C., and the heat treatment is preferably performed within 2 hours at this temperature, and more preferably 20 minutes to 2 hours. That is, when the temperature is lower than 700 ° C., the suppression of the diffusion of the Ti component is insufficient. On the other hand, when the temperature exceeds 900 ° C., the crystallization of the Pt film itself is promoted, the surface unevenness becomes severe, and the flatness of the film becomes a problem. If the heating time exceeds 2 hours, crystallization of the Pt film itself is promoted. At this time, no separation occurs between the Pt film and the TiO 2 film.
また、反応抑制層は、上記加熱処理された基板上に誘電体薄膜を形成することにより、得られる。これにより、さらに、その上に誘電体膜を形成すれば誘電率の高い誘電体を得ることができる。すなわち、上記加熱処理後の基板のPt膜表面には一部拡散されたTi成分によるTiO2が生成するために、このままでは誘電体薄膜の高温焼成時に反応が起こる。これを回避するために、前記反応抑制層として誘電体薄膜を形成し、反応の進行が誘電体薄膜内部で完了するようにする。 Further, the reaction suppression layer can be obtained by forming a dielectric thin film on the heat-treated substrate. Thereby, if a dielectric film is further formed thereon, a dielectric having a high dielectric constant can be obtained. That is, since TiO 2 due to a partially diffused Ti component is generated on the surface of the Pt film of the substrate after the heat treatment, a reaction occurs when the dielectric thin film is fired at this temperature. In order to avoid this, a dielectric thin film is formed as the reaction suppression layer so that the progress of the reaction is completed inside the dielectric thin film.
上記塗布液としては、後続の誘電体を構成する誘電体薄膜の形成において使用する塗布液と同様の構成成分のものを用いる必要はなく、所望の組成のものが選択される。 As the coating solution, it is not necessary to use a component having the same composition as that of the coating solution used in forming the dielectric thin film constituting the subsequent dielectric, and a solution having a desired composition is selected.
上記焼成後の誘電体薄膜からなる反応抑制層の膜厚が30nm未満では、TiO2との反応の抑制効果が低く、一方、80nmを超えると、それ以上の抑制効果は見られず、また全体の誘電特性に影響を与え、誘電率を引き下げてしまう。 When the thickness of the reaction suppression layer composed of the dielectric thin film after firing is less than 30 nm, the effect of suppressing the reaction with TiO 2 is low. On the other hand, when the thickness exceeds 80 nm, no further suppression effect is observed. This affects the dielectric characteristics of the film and lowers the dielectric constant.
上記焼成する際の温度としては、700〜900℃であり、この温度で20分〜2時間加熱処理することが好ましい。すなわち、温度が700℃未満では、TiO2との反応の抑制効果が不十分である。一方、900℃を超えると、Pt膜自体の結晶化が促進されて問題となる。上記焼成する際の酸素雰囲気としては、特に限定されるものではなく、例えば、1〜3L/minの酸素ガス気流中が好ましい。 As temperature at the time of the said baking, it is 700-900 degreeC, and it is preferable to heat-process at this temperature for 20 minutes-2 hours. That is, when the temperature is lower than 700 ° C., the effect of suppressing the reaction with TiO 2 is insufficient. On the other hand, when the temperature exceeds 900 ° C., crystallization of the Pt film itself is promoted, which causes a problem. The oxygen atmosphere at the time of firing is not particularly limited, and is preferably, for example, in an oxygen gas stream of 1 to 3 L / min.
(3)塗布、乾燥、仮焼成及び本焼成
上記形成方法において、塗布、乾燥、仮焼成及び本焼成する方法としては、例えば、上記基板上に、上記高誘電体薄膜形成用塗布組成物からなる塗布液を、仮焼成後の誘電体薄膜1層あたりの膜厚が30〜120nmになるように滴下し、スピンコート、ディップコート等により塗布後、200℃の温度で乾燥した後、酸素雰囲気中550〜800℃の温度で仮焼成を行なって誘電体薄膜を形成する工程からなる一連の工程を3回以上繰返して、該誘電体薄膜を積層し、最後に本焼成を行なうことからなる。これにより、上記多層構造を有する誘電体膜を得る。
(3) Coating, drying, pre-baking and main baking In the above forming method, the coating, drying, pre-baking and main baking methods include, for example, the above-mentioned coating composition for forming a high dielectric thin film on the substrate. The coating liquid is dropped so that the film thickness per dielectric thin film after temporary baking becomes 30 to 120 nm, coated by spin coating, dip coating, etc., dried at a temperature of 200 ° C., and then in an oxygen atmosphere. A series of steps including a step of performing preliminary firing at a temperature of 550 to 800 ° C. to form a dielectric thin film is repeated three or more times, the dielectric thin film is laminated, and finally the final firing is performed. Thereby, a dielectric film having the multilayer structure is obtained.
上記仮焼成の条件としては、好ましくは550〜800℃、好ましくは600〜650℃の温度で、20分〜1時間行なう。すなわち、温度が550℃未満では、誘電体薄膜層内の複合酸化物の結晶化は行われず、得られる誘電体膜において積層化は起こらない。したがって、断面のTEM観察において、各層の分割は見られない。一方、温度が800℃を超えると、逆に結晶粒成長が促進しすぎ、積層界面に大きなクラックが生じて誘電率に影響をもたらす。これらの温度範囲において、誘電体薄膜層内の複合酸化物は完全結晶化され、かつ結晶粒径が成長する。ここで、誘電体薄膜層内の複合酸化物の平均結晶粒径は20〜50nm、望ましくは40〜50nmとなる。これらの結晶性及び平均結晶粒径は、XRD及びTEM観察から求めることができる。また、雰囲気としては、大気雰囲気中でも行なわれるが、溶剤が排除されやすい酸素雰囲気中が好ましい。 The pre-baking conditions are preferably 550 to 800 ° C., preferably 600 to 650 ° C. for 20 minutes to 1 hour. That is, when the temperature is lower than 550 ° C., the crystallization of the complex oxide in the dielectric thin film layer is not performed, and no lamination occurs in the obtained dielectric film. Therefore, division of each layer is not observed in the TEM observation of the cross section. On the other hand, when the temperature exceeds 800 ° C., on the contrary, the growth of crystal grains is excessively promoted, and a large crack is generated at the laminated interface, which affects the dielectric constant. In these temperature ranges, the complex oxide in the dielectric thin film layer is completely crystallized and the crystal grain size grows. Here, the average crystal grain size of the complex oxide in the dielectric thin film layer is 20 to 50 nm, desirably 40 to 50 nm. These crystallinity and average crystal grain size can be determined from XRD and TEM observation. In addition, the atmosphere is an air atmosphere, but an oxygen atmosphere in which the solvent is easily removed is preferable.
上記形成方法において、得られる誘電体の焼成後の膜厚が所望の膜厚、例えば350〜450nmになるまで上記一連の工程を繰返して積層することが求められる。なお、誘電体薄膜の1層の膜厚は仮焼後で30〜120nm、好ましくは40〜110nm、より好ましくは70〜100nmが効果的である。すなわち、膜厚が30nm未満では、塗膜回数が非常に多くなり、生産性に問題が生じる。一方、膜厚が120nmを超えると、仮焼温度を高めても溶剤の揮発性が劣り、層内に欠陥が多くなる。 In the above forming method, it is required to repeat the above series of steps until the thickness of the obtained dielectric after firing reaches a desired thickness, for example, 350 to 450 nm. The effective thickness of one layer of the dielectric thin film after calcination is 30 to 120 nm, preferably 40 to 110 nm, more preferably 70 to 100 nm. That is, when the film thickness is less than 30 nm, the number of coating films is very large, which causes a problem in productivity. On the other hand, when the film thickness exceeds 120 nm, the volatility of the solvent is inferior even if the calcining temperature is increased, and defects are increased in the layer.
さらに、塗布、乾燥及び仮焼成からなる一連の工程の繰返し回数としては、上記一連の工程を3回以上繰返す。すなわち、2層では、誘電体薄膜1層の膜厚の制限から、誘電体の膜厚が薄くなるため誘電率が低くなるので、3層以上に積層されていることが必要である。なお、誘電体の膜厚により、層数が制限される。 Furthermore, as the number of repetitions of a series of steps consisting of coating, drying and pre-baking, the above series of steps is repeated three times or more. That is, in the case of two layers, the dielectric constant becomes low because the thickness of the dielectric is reduced due to the limitation of the thickness of one dielectric thin film, so it is necessary to be laminated in three or more layers. Note that the number of layers is limited by the thickness of the dielectric.
上記本焼成の条件としては、特に限定されるものではなく、酸素雰囲気中700〜900℃の温度で20分〜2時間行なわれる。これにより、高誘電体膜が得られる。すなわち、温度が700℃未満では、焼結による収縮が不十分で、膜中には空隙が多い。また結晶は不完全なため、誘電特性は良好にならない。一方、温度が900℃を超えると、結晶粒成長が促進しすぎ、大きなクラックが生じて誘電率に影響をもたらす。 The conditions for the main firing are not particularly limited, and the firing is performed in an oxygen atmosphere at a temperature of 700 to 900 ° C. for 20 minutes to 2 hours. Thereby, a high dielectric film is obtained. That is, when the temperature is less than 700 ° C., shrinkage due to sintering is insufficient, and there are many voids in the film. Also, since the crystal is imperfect, the dielectric properties are not good. On the other hand, when the temperature exceeds 900 ° C., crystal grain growth is promoted too much, and a large crack is generated, which affects the dielectric constant.
2.高誘電体膜
本発明の高誘電体膜は、上記形成方法により得られる、金属成分としてバリウム、ストロンチウム、マグネシウム及びカルシウムからなる群から選ばれる少なくとも1種のアルカリ土類金属元素と、チタン、スズ、及びジルコニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素とを含有するペロブスカイト型誘電物質からなる誘電体膜であって、30〜120nmの膜厚を有する誘電体薄膜層が3層以上積層された構造を有する、クラックの発生がなく、膜の収縮が小さく、かつ誘電特性に優れた誘電体膜である。
2. High dielectric film The high dielectric film of the present invention comprises at least one alkaline earth metal element selected from the group consisting of barium, strontium, magnesium and calcium as a metal component obtained by the above forming method, titanium, tin And a dielectric film made of a perovskite type dielectric material containing at least one metal element selected from the group consisting of zirconium, and three or more dielectric thin film layers having a thickness of 30 to 120 nm are laminated. It is a dielectric film having a structure with no cracks, small film shrinkage and excellent dielectric characteristics.
すなわち、誘電体膜を構成する誘電体薄膜層内の複合酸化物の平均結晶粒径は20〜50nmと成長しており、誘電体薄膜層のそれぞれが優れた誘電特性を有するので、それらの多層構造を有する誘電体膜の誘電特性が向上する。これによって薄膜コンデンサ及び半導体集積回路装置の容量絶縁膜、DRAMのキャパシタ材料等、電子デバイスにおける様々な用途のキャパシタ材料等に好適な、誘電特性に優れた高誘電体膜が得られる。 That is, the average crystal grain size of the complex oxide in the dielectric thin film layer constituting the dielectric film grows to 20 to 50 nm, and each of the dielectric thin film layers has excellent dielectric properties. The dielectric property of the dielectric film having the structure is improved. As a result, it is possible to obtain a high dielectric film excellent in dielectric characteristics suitable for capacitor materials for various uses in electronic devices, such as thin film capacitors, capacitive insulating films for semiconductor integrated circuit devices, and capacitor materials for DRAMs.
以下に、本発明の実施例及び比較例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例によってなんら限定されるものではない。なお、実施例及び比較例で用いた金属の分析及び膜の評価方法は、以下の通りである。
(1)金属の分析:ICP発光分析法で行った。
(2)膜の評価方法:膜表面のAFM観察により、クラック及び収縮の発生を評価した。また、断面をTEM観察して、誘電体膜の膜厚、誘電体薄膜層の層数、及び平均結晶粒径を評価した。なお、誘電体薄膜層各層の平均層厚は、誘電体膜の層厚を誘電体薄膜層の層数で平均化したものである。さらに、薄膜に直径0.3mmの白金上部電極を蒸着し、25℃に保った室内でAC電圧1.0V、周波数1MHz時の比誘電率及び誘電損失を測定した。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples and comparative examples of the present invention, but the present invention is not limited to these examples. The metal analysis and film evaluation methods used in Examples and Comparative Examples are as follows.
(1) Metal analysis: ICP emission analysis was performed.
(2) Evaluation method of film: The occurrence of cracks and shrinkage was evaluated by AFM observation of the film surface. The cross section was observed with a TEM to evaluate the thickness of the dielectric film, the number of dielectric thin film layers, and the average crystal grain size. The average layer thickness of each dielectric thin film layer is obtained by averaging the thickness of the dielectric film by the number of dielectric thin film layers. Further, a platinum upper electrode having a diameter of 0.3 mm was vapor-deposited on the thin film, and the relative dielectric constant and dielectric loss at an AC voltage of 1.0 V and a frequency of 1 MHz were measured in a room kept at 25 ° C.
また、実施例及び比較例で用いた塗布液は以下の調製方法にしたがった。
[塗布液の調製方法]
金属バリウムを容量比でメチルセロソルブ:2−エチルヘキサン酸:酢酸ブチル=2:1:1で配合した混合溶剤80mL中に添加し、窒素気流中80℃で2時間攪拌混合して、Ba濃度0.8mol/Lのバリウム有機酸塩溶液(A)を調製した。また、チタンイソプロポキシドを酢酸n−ブチル20mL中に添加し、大気中室温で10分攪拌混合し、Ti濃度0.8mol/Lのチタンアルコキシド液(B)を調製した。
次に、モル比でバリウム:チタン=1:1となるようにバリウム有機酸塩溶液(A1)中にチタンアルコキシド液(B1)を滴下し、窒素気流中110℃で2時間攪拌混合して、金属元素濃度0.8mol/Lの複合有機酸塩液(C)を得た。
次いで、複合有機酸塩液(C)を窒素気流中125℃で1時間加熱して有機溶媒の一部を揮発させ濃縮させ、金属元素濃度1.2mol/Lの高濃度液を得た。最後に、高濃度液に2−プロパノールと酢酸ブチルを容量比で2:1として得た希釈剤を添加し、金属元素濃度を0.4mol/Lに調整して塗布液を得た。
Moreover, the coating liquid used by the Example and the comparative example followed the following preparation methods.
[Preparation method of coating solution]
Metal barium was added to 80 mL of a mixed solvent containing methyl cellosolve: 2-ethylhexanoic acid: butyl acetate = 2: 1: 1 in a volume ratio, and stirred and mixed at 80 ° C. for 2 hours in a nitrogen stream. An 8 mol / L barium organic acid salt solution (A) was prepared. Further, titanium isopropoxide was added to 20 mL of n-butyl acetate, and the mixture was stirred and mixed at room temperature in the atmosphere for 10 minutes to prepare a titanium alkoxide liquid (B) having a Ti concentration of 0.8 mol / L.
Next, the titanium alkoxide liquid (B1) is dropped into the barium organic acid salt solution (A1) so that the molar ratio is barium: titanium = 1: 1, and the mixture is stirred and mixed at 110 ° C. for 2 hours in a nitrogen stream. A complex organic acid salt solution (C) having a metal element concentration of 0.8 mol / L was obtained.
Next, the complex organic acid salt solution (C) was heated in a nitrogen stream at 125 ° C. for 1 hour to volatilize and concentrate a part of the organic solvent to obtain a high concentration solution having a metal element concentration of 1.2 mol / L. Finally, a diluent obtained by adding 2-propanol and butyl acetate at a volume ratio of 2: 1 was added to the high-concentration solution, and the metal element concentration was adjusted to 0.4 mol / L to obtain a coating solution.
(実施例1)
(1)前処理基板の作製
市販のSiO2/Si基板上にスパッタリング法でTiを100nmの膜厚で成膜した後、一旦取り出して、大気中700℃で2時間加熱して酸化処理し、得られた基板のTiO2膜上にPt膜をスパッタリング法で200nmの膜厚で成膜して得たPt膜/TiO2膜/SiO2層/Si基板を用い、まず、2L/minの酸素ガス気流中800℃で1時間加熱処理した。次に、Pt膜上に上記[塗布液の調製方法]にしたがって得られた塗布液をスピンコート法により薄く塗布させ、200℃で乾燥後、2L/minの酸素ガス気流中800℃で1時間焼成し誘電体薄膜からなる反応抑制層を形成して、前処理基板を得た。ここで得られた誘電体薄膜の膜厚は、60nmであった。
(2)誘電体膜の形成
続いて、上記基板の誘電体薄膜上にスピンコート法により上記[塗布液の調製方法]にしたがって得られた塗布液を塗布し、200℃で乾燥し、600℃で10分間の仮焼成を行なった。ここで、塗布、乾燥及び仮焼成を7回繰返した後、酸素ガス気流中800℃で1時間本焼成して、BaTiO3膜からなる誘電体膜を形成した。なお、塗布液の塗布量は、一回の塗布によって形成される誘電体薄膜の膜厚が仮焼成後で30〜120nmとなるように調整した。
その後、得られた誘電体膜を上記膜の評価方法により評価した。結果を表1、表2に示す。
(Example 1)
(1) Preparation of pretreatment substrate After a Ti film was formed to a thickness of 100 nm on a commercially available SiO 2 / Si substrate by sputtering, it was once taken out and heated at 700 ° C. in the atmosphere for 2 hours for oxidation treatment. Using a Pt film / TiO 2 film / SiO 2 layer / Si substrate obtained by forming a Pt film with a film thickness of 200 nm on a TiO 2 film of the obtained substrate by sputtering, first, oxygen of 2 L / min. Heat treatment was performed at 800 ° C. for 1 hour in a gas stream. Next, the coating solution obtained according to the above [Method for preparing coating solution] is thinly applied on the Pt film by spin coating, dried at 200 ° C., and then at 800 ° C. for 1 hour in a 2 L / min oxygen gas stream. A pretreatment substrate was obtained by firing and forming a reaction suppression layer comprising a dielectric thin film. The thickness of the dielectric thin film obtained here was 60 nm.
(2) Formation of dielectric film Subsequently, the coating liquid obtained according to the above [Method for preparing coating liquid] is applied onto the dielectric thin film of the substrate by spin coating, dried at 200 ° C., and 600 ° C. And calcination was performed for 10 minutes. Here, coating, drying, and pre-baking were repeated seven times, followed by main baking at 800 ° C. for 1 hour in an oxygen gas stream to form a dielectric film made of a BaTiO 3 film. The coating amount of the coating solution was adjusted so that the thickness of the dielectric thin film formed by a single coating was 30 to 120 nm after temporary firing.
Thereafter, the obtained dielectric film was evaluated by the above-described film evaluation method. The results are shown in Tables 1 and 2.
(実施例2)
誘電体膜の形成において、仮焼成の条件が800で5分間であり、仮焼成を5回繰返したこと以外は、実施例1と同様に行ない、その後、得られた誘電体膜を上記膜の評価方法により評価した。結果を表1、表2に示す。
(Example 2)
The formation of the dielectric film was performed in the same manner as in Example 1 except that the pre-firing condition was 800 minutes for 5 minutes and the pre-firing was repeated 5 times. It evaluated by the evaluation method. The results are shown in Tables 1 and 2.
(実施例3)
誘電体膜の形成において、塗布液として、上記[塗布液の調製方法]にしたがって得られた塗布液の希釈度合を変更して調製して得た金属元素濃度0.3mol/Lの塗布液を用いたこと、及び塗布、乾燥及び仮焼成を10回繰返したこと以外は、実施例1と同様に行ない、その後、得られた誘電体膜を上記膜の評価方法により評価した。結果を表1、表2に示す。
(Example 3)
In the formation of the dielectric film, a coating solution having a metal element concentration of 0.3 mol / L obtained by changing the dilution degree of the coating solution obtained according to the above [Method for preparing coating solution] is used as the coating solution. The dielectric film obtained was evaluated by the above-described film evaluation method, except that it was used and coating, drying, and pre-baking were repeated 10 times in the same manner as in Example 1. The results are shown in Tables 1 and 2.
(実施例4)
誘電体膜の形成において本焼成の温度が700℃であったこと以外は、実施例1と同様に行ない、その後、得られた誘電体膜を上記膜の評価方法により評価した。結果を表1、表2に示す。
Example 4
The formation of the dielectric film was performed in the same manner as in Example 1 except that the main baking temperature was 700 ° C. Then, the obtained dielectric film was evaluated by the above-described film evaluation method. The results are shown in Tables 1 and 2.
(実施例5)
前処理基板の作製において、基板を、まず900℃で30分間の加熱処理し、次いで塗布後の焼成を900℃で20分間加熱処理することにより行なったこと、及びここで得られた前処理基板の誘電体薄膜の膜厚を50nmとしたこと、並びに誘電体膜の形成において、本焼成の条件が900℃で30分間であったこと以外は、実施例1と同様に行ない、その後、得られた誘電体膜を上記膜の評価方法により評価した。結果を表1、表2に示す。
(Example 5)
In the preparation of the pretreated substrate, the substrate was first heat-treated at 900 ° C. for 30 minutes, and then baking after coating was performed by heat-treating at 900 ° C. for 20 minutes, and the pretreated substrate obtained here The dielectric thin film was formed in the same manner as in Example 1 except that the film thickness of the dielectric thin film was set to 50 nm and that the condition of the main firing was 900 ° C. for 30 minutes in the formation of the dielectric film. The dielectric film was evaluated by the film evaluation method. The results are shown in Tables 1 and 2.
(比較例1)
誘電体膜の形成において、仮焼成の温度が300℃であったこと以外は、実施例1と同様に行ない、その後、得られた誘電体膜を上記膜の評価方法により評価した。結果を表1、表2に示す。
(Comparative Example 1)
The formation of the dielectric film was performed in the same manner as in Example 1 except that the pre-baking temperature was 300 ° C., and then the obtained dielectric film was evaluated by the film evaluation method. The results are shown in Tables 1 and 2.
(比較例2)
誘電体膜の形成において、仮焼成の温度が900℃であったこと以外は、実施例1と同様に行ない、その後、得られた誘電体膜を上記膜の評価方法により評価した。結果を表1、表2に示す。
(Comparative Example 2)
The formation of the dielectric film was performed in the same manner as in Example 1 except that the pre-baking temperature was 900 ° C., and then the obtained dielectric film was evaluated by the film evaluation method. The results are shown in Tables 1 and 2.
表1、2から明らかなように、実施例1〜5では、塗布液は、溶剤成分としてエーテル系溶剤及び/又はアルコール系溶剤と、カルボン酸と、エステル系溶剤とを用いて調製された、金属成分としてバリウム、ストロンチウム、マグネシウム及びカルシウムからなる群から選ばれる少なくとも1種のアルカリ土類金属元素と、チタン、スズ、及びジルコニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素を含有する高誘電体薄膜形成用塗布組成物であり、及び塗布液を仮焼成後の誘電体薄膜1層あたりの膜厚が30〜120nmになるように塗布し乾燥した後、酸素雰囲気中550〜800℃の温度で仮焼する一連の工程の繰返しにより3層以上積層された誘電体であり、本発明の形成方法により行なわれたので、クラックの発生がなく、膜の収縮が小さく、かつ誘電特性に優れた誘電体膜が得られることが分かる。 As is clear from Tables 1 and 2, in Examples 1 to 5, the coating liquid was prepared using an ether solvent and / or an alcohol solvent, a carboxylic acid, and an ester solvent as solvent components. High dielectric constant containing at least one alkaline earth metal element selected from the group consisting of barium, strontium, magnesium and calcium and at least one metal element selected from the group consisting of titanium, tin and zirconium as the metal component The coating composition for forming a body thin film, and the coating liquid is applied so as to have a film thickness of 30 to 120 nm per dielectric thin film after pre-baking and dried, and then at a temperature of 550 to 800 ° C. in an oxygen atmosphere. 3 or more layers are laminated by repeating a series of calcination processes, and since it was performed by the forming method of the present invention, cracks were not generated. , Small shrinkage of the film, and it can be seen that excellent dielectric film dielectric characteristics can be obtained.
これに対して、比較例1又は2では、仮焼成の温度がこれらの条件に合わないため、得られた誘電体膜の断面の構造において積層化が見られないか、又は大きなクラックが生じることにより、誘電特性において満足すべき結果が得られないことが分かる。 On the other hand, in the comparative example 1 or 2, the temperature of the temporary firing does not meet these conditions, so that no lamination is observed in the cross-sectional structure of the obtained dielectric film, or a large crack occurs. Thus, it can be seen that satisfactory results cannot be obtained in the dielectric characteristics.
以上より明らかなように、本発明の高誘電体膜とその形成方法は、誘電特性に優れた誘電体膜を得ることができるので、薄膜コンデンサ及び半導体集積回路装置の容量絶縁膜、DRAMのキャパシタ材料等、電子デバイスにおける様々な用途のキャパシタ材料等に用いる誘電特性に優れた高誘電体膜とその形成方法として好適である。 As is clear from the above, the high dielectric film and the method of forming the same according to the present invention can obtain a dielectric film having excellent dielectric characteristics. Therefore, the thin film capacitor, the capacitive insulating film of the semiconductor integrated circuit device, and the DRAM capacitor It is suitable as a high dielectric film excellent in dielectric characteristics used for capacitor materials for various uses in electronic devices such as materials and a method for forming the same.
Claims (9)
工程(1):基板上に、エーテル系溶剤及び/又はアルコール系溶剤と、カルボン酸系溶剤と、エステル系溶剤とからなる混合溶剤に、バリウム、ストロンチウム、マグネシウム及びカルシウムからなる群から選ばれる少なくとも1種のアルカリ土類金属元素と、チタン、スズ、及びジルコニウムからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素とを含有する塗布組成物からなる塗布液を、一回の塗布によって形成される誘電体薄膜の膜厚が仮焼成後で30〜120nmとなるに十分な量だけ塗布した後、乾燥させる。
工程(2):基板上に形成された誘電体薄膜を、酸素雰囲気中、550〜800℃の温度で加熱し、仮焼成する。 After the multilayer dielectric thin film formed by laminating three or more layers is produced by repeating the following steps (1) and (2) on the substrate, the resultant multilayer dielectric thin film is then baked. A method for producing a high dielectric film.
Step (1): At least selected from the group consisting of barium, strontium, magnesium, and calcium in a mixed solvent consisting of an ether solvent and / or an alcohol solvent, a carboxylic acid solvent, and an ester solvent on the substrate. A dielectric formed by a single coating of a coating solution comprising a coating composition containing one alkaline earth metal element and at least one metal element selected from the group consisting of titanium, tin, and zirconium. The body thin film is applied in an amount sufficient to be 30 to 120 nm after calcination and then dried.
Step (2): The dielectric thin film formed on the substrate is heated at a temperature of 550 to 800 ° C. in an oxygen atmosphere and temporarily fired.
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