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WO2004077561A1 - 電極層および誘電体層を含む積層体ユニット - Google Patents

電極層および誘電体層を含む積層体ユニット Download PDF

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WO2004077561A1
WO2004077561A1 PCT/JP2004/001829 JP2004001829W WO2004077561A1 WO 2004077561 A1 WO2004077561 A1 WO 2004077561A1 JP 2004001829 W JP2004001829 W JP 2004001829W WO 2004077561 A1 WO2004077561 A1 WO 2004077561A1
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WO
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laminate unit
bismuth
dielectric layer
group
symbol
Prior art date
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PCT/JP2004/001829
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English (en)
French (fr)
Inventor
Yukio Sakashita
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TDK Corp
Original Assignee
TDK Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by TDK Corp filed Critical TDK Corp
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H10D86/85—Integrated devices formed in or on insulating or conducting substrates, e.g. formed in silicon-on-insulator [SOI] substrates or on stainless steel or glass substrates characterised by multiple passive components, e.g. resistors, capacitors or inductors characterised by only passive components
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D88/00—Three-dimensional [3D] integrated devices
    • H10W20/496—

Definitions

  • the present invention relates to a laminate unit including an electrode layer and a dielectric layer, and more particularly, to a semiconductor unit together with other devices such as a field effect transistor (FET) and a CPU (Central Processing Unit).
  • FET field effect transistor
  • CPU Central Processing Unit
  • the present invention relates to a laminated unit including an electrode layer and a dielectric layer, which is capable of forming a small-sized or large-capacity thin-film capacitor having excellent dielectric characteristics, which is suitable for being incorporated into a body wafer.
  • FET field effect transistor
  • CPU Central Processing Unit
  • Bismuth layered compounds have anisotropic crystal structure and basically exhibit ferroelectric properties.However, in certain orientation axis directions, the properties as ferroelectrics are small and paraelectric It is known to exhibit the property as
  • the properties of the bismuth layered compound as a ferroelectric substance are not preferable when the bismuth layered compound is used as a dielectric of a thin film capacitor, because it causes a change in the dielectric constant. It is preferable that the property is sufficiently exhibited.
  • the bismuth layer compound has a small ferroelectric property, and has a dielectric layer in which the bismuth layer compound is oriented in the direction of the orientation axis showing the property as a paraelectric substance.
  • Central Processing Unit and other developments are required to develop a large-capacity thin film capacitor with excellent dielectric properties suitable for incorporation into a semiconductor wafer. Disclosure of the invention Therefore, the present invention is a small-sized, large-capacity thin-film capacitor excellent in dielectric properties suitable for being incorporated into a semiconductor wafer, together with other devices such as a field-effect transistor (FET) and a CPU (Central Processing Unit). It is an object of the present invention to provide a laminate unit including an electrode layer and a dielectric layer, which can constitute the same.
  • This and other objects of the present invention are to provide a semiconductor wafer with a barrier layer, a dielectric material having anisotropy and conductivity, and further comprising a bismuth layered compound.
  • An electrode layer formed of a material that can be epitaxially grown and oriented in the [001] direction; and a dielectric material containing a bismuth layered compound formed on the electrode layer by epitaxial growth.
  • a dielectric layer made of a dielectric material containing a bismuth layered compound oriented in the [001] direction is achieved by the laminated unit laminated in this order.
  • the [001] orientation refers to the [001] orientation in cubic, tetragonal, monoclinic, and orthorhombic.
  • the barrier layer is formed on the semiconductor wafer, the components of the electrode layer are prevented from being affected by the semiconductor wafer force s and the electrode layer, such as being diffused into the semiconductor wafer. Therefore, the electrode layer can be formed as desired using a material having anisotropy and high conductivity, and on which a dielectric material containing a bismuth layered compound can be epitaxially grown. , [001] orientation. Further, according to the present invention, the electrode layer is formed of a material having anisotropy and conductivity, and on which a dielectric material containing a bismuth layer compound can be epitaxially grown, Since it is oriented in the [001] direction, it also functions as a buffer layer.
  • a dielectric material containing a bismuth layered compound is epitaxially grown on the electrode layer, thereby ensuring that [001] 1] It is possible to form a dielectric layer containing a bismuth layered compound oriented in the direction.
  • the present invention it is possible to orient the c-axis of the bismuth layered compound contained in the dielectric layer perpendicularly to the electrode layer. Therefore, for example, when an upper electrode is provided on a dielectric layer and a voltage is applied between the electrode layer and the upper electrode, the direction of the electric field is substantially equal to the c-axis of the bismuth layered compound contained in the dielectric layer. Therefore, it is possible to suppress the property of the bismuth layer compound contained in the dielectric layer as a ferroelectric substance and sufficiently exhibit the property as a normal dielectric substance.
  • a large-capacity thin-film capacitor together with other devices into a semiconductor wafer, it becomes possible to produce an integrated device with a semiconductor.
  • the dielectric layer made of a dielectric material containing a bismuth layered compound with improved c-axis orientation has high insulating properties, the dielectric layer can be made thinner. According to this, it is possible to further reduce the size of the thin film capacitor, and to further reduce the size of an integrated device with a semiconductor in which the thin film capacitor is incorporated.
  • an upper electrode is formed on a dielectric layer and another semiconductor device such as a CPU (Central Processing Unit) is mounted on the manufactured thin-film capacitor
  • another semiconductor Since the device is generally formed on a semiconductor wafer, if the semiconductor wafer of another semiconductor device is formed of the same material as the semiconductor wafer of the stacked unit, the thermal expansion of the thin film capacitor will occur. The rate of expansion matches the coefficient of thermal expansion of the other semiconductor device mounted on it, and the difference in the coefficient of thermal expansion between the mounted devices has the effect of damaging the joint of both depises. Can be prevented.
  • the dielectric material containing the bismuth layer compound may contain unavoidable impurities.
  • the material for forming a semiconductor wafer is not particularly limited as long as it is a material used for manufacturing a semiconductor device incorporating various devices.
  • a silicon single crystal Gallium arsenide crystal or the like can be used.
  • the laminate unit is formed on a semiconductor wafer by a Paria layer It has.
  • the barrier layer has a function of preventing the semiconductor wafer from being affected by the electrode layer, for example, the constituent components of the electrode layer formed on the barrier layer are diffused into the semiconductor wafer.
  • the material for forming the barrier layer is not particularly limited as long as the material can prevent the influence of the semiconductor wafer force and the electrode layer.
  • silicon oxide is preferably used in order to reduce cost, and in addition, in order to form a parier layer.
  • gallium arsenide crystal is used as a semiconductor wafer, from the viewpoint of stability, in order to form the Paglia layer, aluminum oxide (a 1 2 0 3) and magnesium oxide (M g O) is preferably used.
  • the barrier layer is formed to a thickness such that the electrode layer formed thereon does not affect the semiconductor wafer or more.
  • the laminate unit includes an electrode layer oriented in the [001] direction, that is, in the c-axis direction, on the paria layer.
  • the electrode layer is formed of a material having anisotropy and conductivity and capable of epitaxially growing a dielectric material containing a bismuth layered compound thereon. ] Orientation. Therefore, the electrode layer is formed by epitaxially growing a dielectric material containing a bismuth layer compound on the electrode layer, and then bismuth oriented in the [001] direction, that is, in the c-axis direction. It has a function as a buffer layer that ensures that a dielectric layer containing a layered compound can be formed reliably.
  • the electrode layer When an electrode layer made of platinum or the like is formed directly on a barrier layer made of silicon oxide, etc., the electrode layer is oriented in the [111] direction. It becomes difficult to epitaxially grow a dielectric layer made of a dielectric material containing a compound to orient the bismuth layered compound in the [001] direction, that is, in the c-axis direction.
  • the electrode layer has anisotropy and electrical conductivity, and further comprises a dielectric material containing a pi and smth layered compound.
  • the electrode layer is formed of a material that can be epitaxially grown, the electrode layer can be oriented in the [001] direction, and thus, the dielectric material including the bismuth layered compound can be epitaxially grown.
  • the bismuth layer compound contained in the dielectric layer can be surely oriented in the [001] direction, that is, in the c-axis direction. .
  • the material for forming the electrode layer is a material having anisotropy and conductivity, and on which a dielectric material containing a bismuth layered compound can be epitaxially grown.
  • a dielectric material containing a bismuth layered compound can be epitaxially grown.
  • an oxide superconductor is preferably used for forming an electrode layer.
  • oxide superconductors copper oxide superconductor having a C u 0 2 surface thereof, to form the electrode layers, in particular is preferably used.
  • the degree of orientation in the [001] direction of the material having anisotropy and conductivity contained in the electrode layer that is, the degree of c-axis orientation is 100%.
  • the degree of c-axis orientation may be 80% or more.
  • the c-axis orientation is preferably 90%, and more preferably 95% or more.
  • the degree of c-axis orientation of the material having anisotropic conductivity is defined by the following equation (1).
  • Equation (1) having a fully random you doing anisotropic and electrically conductive alignment material C-axis orientation ratio, that is, the (0 0-?) Plane of anisotropically conductive material with completely random orientation Reflection intensity from /.
  • (k /) ⁇ ) is the c-axis orientation ratio of the anisotropic and conductive material calculated using the X-ray diffraction intensity, that is, from the (0 0) plane of the bismuth layered compound.
  • I (h 0 1) from the crystal plane ( ⁇ 7) of the anisotropic conductive material It is the ratio ( ⁇ / (0 0 2) / ⁇ I (hk 1) ⁇ ) to the sum ⁇ I ⁇ hk 1).
  • h, i :, and zo can each take any integer value of 0 or more.
  • the electrode layer is formed by a vacuum deposition method, a sputtering method, a pulse laser deposition method (PLD), a metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, and an organic gold separation angle method.
  • organic decomposition (MOD) ⁇ It can be formed using various thin film forming methods such as liquid phase method (CSD method) such as sol-genole method.
  • the laminate unit includes a dielectric layer made of a dielectric material containing a bismuth layered compound oriented in the [001] direction, that is, in the c-axis direction, on the electrode layer.
  • the dielectric layer is formed by epitaxially growing a dielectric material containing a bismuth layered compound on the electrode layer.
  • the dielectric layer is formed by epitaxially growing a dielectric material containing a bismuth layered compound on the electrode layer oriented in the [001] direction, so that the bismuth layer included in the dielectric layer is formed.
  • the compound can be reliably oriented in the [001] direction, that is, in the c-axis direction.
  • the bismuth layered compound contained in the dielectric layer functions not as a ferroelectric material but as a paraelectric material.
  • large-capacity thin-film capacitors with excellent dielectric properties can be incorporated into semiconductor wafers together with other devices.
  • the bismuth layered compound forming the dielectric layer a bismuth layered compound excellent in characteristics as a capacitor material is selected.
  • the bismuth layered compound has a composition represented by a stoichiometric composition formula: (B i 2 ⁇ 2 ) 2 + (A m — l B m 3m + 1 ) 2 — or B i 2 Am — I have.
  • the symbol _m in the stoichiometric composition formula is a positive integer
  • each of the bismuth layered compounds has
  • Layered perovskite layer 1 consisting of (in-1) perovskite lattices composed of 0 3 la and (B i 2 0 2 ) 2+ layer 2 alternately stacked It has a structure.
  • the number of layers of the layered perovskite layer 1 and (B i 2 O 2 ) 2 + layer 2 is not particularly limited, and at least a pair of (B i 2 O 2 ) 2 + layer 2 and It is sufficient to have one layered perovskite layer 1 sandwiched.
  • the c-axis of the bismuth layer compound a pair of (B i 2 0 2 ') 2+ layer 2 direction connecting to each other, ie, a [0 0 1] direction.
  • the degree of orientation of the [001] orientation of the bismuth layered compound contained in the buffer layer that is, the degree of c-axis orientation is not necessarily 100%, and the degree of c-axis orientation is not necessarily 100%. What is necessary is just 80% or more.
  • the c-axis orientation degree F is preferably 90 ° / 0 , and more preferably the c-axis orientation degree F is 95% or more.
  • the degree of c-axis orientation of the bismuth layered compound is defined by equation (1).
  • the thickness of the dielectric layer is set to, for example, 100 nm or less.
  • a thin film capacitor having a relatively high dielectric constant and a low loss (ta ⁇ ⁇ ) can be obtained, a thin film having excellent leakage characteristics, improved withstand voltage, excellent temperature characteristics of dielectric constant, and excellent surface smoothness. It becomes possible to obtain a capacitor.
  • the bismuth layered compound contained in the dielectric layer the stoichiometric compositional formula: C a X S r - a composition represented by (1 x) B i 4 T i 4 0 1 5 Have. Where 0 ⁇ ⁇ 1.
  • a bismuth layered compound having such a composition is used, a dielectric layer having a relatively large dielectric constant can be obtained, and its temperature characteristics are further improved.
  • part of the element represented by the symbol ⁇ or ⁇ contains scandium (Sc;), yttrium (Y), lanthanum ( L a), cerium (C e), praseodymium (P r), neodymium (N d), promethium (Pm), samarium (Sm), europium pium (E u), gadolinium (G d), terbidium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (H0), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb) and lutetium (Lu). Both are preferably replaced by one element e (yttrium (Y) or a rare earth element).
  • the preferable substitution amount depends on the value of _m.
  • the Curie temperature of the dielectric layer (the phase transition temperature from ferroelectric to paraelectric) is preferably 100 ° C. or higher, and 100 ° C. or higher.
  • the Curie temperature of the dielectric layer is preferably 100 ° C. or higher, and 100 ° C. or higher.
  • it can be kept within the range of 50 ° C or more and 50 ° C or less.
  • one Curie point is 110 ° C.
  • the dielectric constant of the dielectric layer is improved.
  • Curie temperature can be measured by DSC (differential scanning calorimetry) or the like. When the Curie point becomes lower than room temperature (25 ° C), ta ⁇ ⁇ further decreases, and as a result, the loss Q value further increases.
  • the dielectric layer of the laminate unit according to the present invention has excellent leak characteristics, some of the elements represented by the symbol ⁇ or 5 in the stoichiometric composition formula of the bismuth layered compound are not used. If the element is replaced by element e, the leakage characteristics of the dielectric layer can be further improved, which is preferable. For example, even when a part of the element represented by the symbol ⁇ or in the stoichiometric composition formula of the bismuth layered compound is not replaced by the element? E, the dielectric constant of the laminate unit according to the present invention can be improved.
  • a leakage current measured at the electric field intensity 5 0 k V / cm preferably, 1 X 1 0 _ 7 a / cm 2 or less, more preferably, 5 X 1 0- 8 a / cm 2 or less
  • the short-circuit rate can be preferably 10% or less, more preferably 5% or less, but the stoichiometric composition of the bismuth layered compound in the stoichiometric composition formula some of the elements represented by the symbol ⁇ or ⁇ is, the element?
  • the leakage current when measured under the same conditions preferably, 5 X 1 0 8 a / cm 2 or less , more preferably, 1 X 1 0 - it can be 8 a / c ⁇ 2 below, the short rate It is preferably 5% or less, more preferably 3% or less.
  • the dielectric layer is formed by a vacuum deposition method, a sputtering method, a pulse laser deposition method (PLD), a metal-organic chemical vapor deposition (MO-CVD) method.
  • organic decomposition: MO D It can be formed using various thin film forming methods such as liquid phase method (CSD method) such as ⁇ zonore and genole method, etc.
  • CSD method liquid phase method
  • the laminate unit including the electrode layer and the dielectric layer according to the present invention can be used not only as a component of a thin film capacitor but also as a laminate unit for emitting an inorganic EL element. That is, in order to make the inorganic EL element emit light, an insulating layer is required between the electrode layer and the inorganic EL element. However, a dielectric material containing a bismuth layered compound having improved c-axis orientation is required. The dielectric layer has a high insulating property, and therefore, an inorganic EL element is disposed on the dielectric layer, and another electrode is disposed on the inorganic EL element, and is separated from the electrode layer. By applying a voltage between the electrodes and the inorganic EL element, the inorganic EL element can emit light as desired. Will be possible.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the structure of a bismuth layered compound.
  • FIG. 2 is a schematic partial cross-sectional view of a laminate unit according to a preferred embodiment of the present invention. DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION
  • FIG. 2 is a schematic partial cross-sectional view of a laminated body cut according to a preferred embodiment of the present invention.
  • a laminate unit 1 is formed by laminating a parier layer 3, an electrode layer 4, and a dielectric layer 5 on a support substrate 2 in this order. ing.
  • the support substrate 2 of the multilayer unit 1 is formed of silicon single crystal.
  • the laminate unit 1 includes a barrier layer 3 formed of silicon oxide on a support substrate 2.
  • the barrier layer 3 made of silicon oxide is formed, for example, by thermal oxidation of silicon.
  • an electrode layer 4 is formed on the barrier layer 3.
  • the electrode layer 4 has a stoichiometric composition formula: Bi 2 Sr 2 C It is formed by BSCCO (bismuth's calcium, calcium, iron oxide) having a thread represented by a Cu 2 O 8 and oriented in the [011] orientation.
  • BSCCO bismuth's calcium, calcium, iron oxide
  • BS CCO bismuth.strontium.calcium 'kappa.oxide
  • the constituents of BSC CO bismuth's-stodium-calcium-carbon-oxide
  • the electrode layer 4 is formed of a silicon single crystal.
  • the constituent components of BS CCO bismuth strontium canopymium kappa oxide
  • BSC CO bismuth 'stopenthium' calcium, kappa, oxide
  • the parier layer 3 prevents the constituents of BSC CO (bismuth's calcium, calcium, kappa, and potassium) from diffusing into the silicon single crystal constituting the support substrate 2. Thickness, for example, 10 ⁇ m or more.
  • the laminate Yuni' sheet 1 according to this embodiment, on Roh Ria layer 3, the stoichiometric compositional formula: in B i 2 S r 2 C a C u 2 0 8
  • the electrode layer 4 is formed by BS CCO (bismuth's-ttrium-calcium'capper 'oxide) having a composition represented by the following formula, and is oriented in the [001] direction.
  • BS CCO bismuth's-ttrium-calcium'capper 'oxide
  • the electrode layer 4 was formed by epitaxially growing a dielectric material containing a bismuth layer compound on the function as an electrode, and was then oriented in the [001] direction, that is, in the c-axis direction.
  • a buffer layer that guarantees that the dielectric layer 5 containing the bismuth layered compound can be formed reliably Function.
  • the electrode layer is easily oriented in the [111] direction. It becomes difficult to epitaxially grow a dielectric layer made of a dielectric material containing a bismuth layered compound to orient the bismuth layered compound in the [01] orientation, that is, in the c-axis direction.
  • the electrode layer 4 the stoichiometric compositional formula: B i 2 S r 2 C a C u BSC CO ( bismuth 'be sampled port Nchiumu-Kanoreshiumu having a composition represented by the 2 O 8 ⁇ Anisotropic conductive material and formed from a material on which a dielectric material containing a bismuth layered compound can be epitaxially grown. Therefore, the electrode layer 4 can be oriented in the [001] direction. Therefore, a dielectric material containing a bismuth layered compound is epitaxially grown thereon to form the dielectric layer 5.
  • the bismuth layered compound contained in the dielectric layer 5 can be surely oriented in the [001] direction, that is, in the c-axis direction.
  • the stoichiometric compositional formula B i 2 S r 2 C a C u BS CCO ( bismuth be sampled port inch ⁇ -time calcium Kappa one-Okisai de having a composition represented by 2 O s
  • the electrode layer 4 is formed, for example, by pulsed laser deposition (PLD).
  • BSCCO pulsed laser deposition method
  • Te Niyotsu bismuth 'be sampled port Nchiumu - to form a calcium-force wrapper-Okisai de
  • Ru for example, as a raw material
  • BSCCO (bi having a composition represented by B i 2 S r 2 C a C u 2 O 8
  • the barrier layer 3 made of silicon oxide is maintained at 650 ° C. by using strontium strontium and canoledium oxide as a target, and has a thickness of 100 nm.
  • the laminated unit 1 includes a dielectric layer 5 formed on an electrode layer 4.
  • the dielectric layer 5 is formed on the electrode layer 4 by metal-organic decomposition (MOD).
  • MOD metal-organic decomposition
  • a toluene solution of 2-ethylhexanoic acid Sr, a 2-ethylethylhexanoic acid Bi solution of 2-ethylhexanoic acid, and a 2-ethylethylhexanoic acid Ti solution of toluene are mixed.
  • Stoichiometric ratio such that 1 mol of 2-ethylhexanoic acid Sr, 4 mol of 2-ethylhexanoic acid Bi and 4 mol of 2-ethylhexanoic acid Ti are mixed with toluene.
  • the material solution obtained by dilution is applied onto the electrode layer 4 by spin coating, dried, and calcined at a temperature at which the obtained dielectric layer 5 is not crystallized.
  • the same raw material solution is applied on the pre-fired dielectric layer 5 by spin coating, dried, pre-fired, and this operation is repeated.
  • the dielectric layer 5 is fully baked, and is coated, dried, and pre-baked until a dielectric layer 5 having a required thickness, for example, a dielectric layer 5 having a thickness of 100 nm is obtained.
  • a series of operations consisting of coating, drying, preliminary baking and main baking are repeated.
  • the dielectric material containing the bismuth layered compound grows epitaxially, and the dielectric layer 5 oriented in the [001] direction, that is, the c-axis direction is formed.
  • the laminate unit 1 includes a support substrate 2 made of a silicon single crystal, and a barrier layer 3, an electrode layer 4, and a dielectric layer 5 laminated on the support substrate 2.
  • the supporting substrate 2 made of silicon single crystal can be provided together with other devices such as a field effect transistor and a CPU by providing an upper electrode on the dielectric layer 5.
  • a device integrated with a semiconductor can be manufactured.
  • the barrier layer 3 is formed by silicon oxide on the support substrate 2 formed of silicon single crystal
  • the components of the electrode layer 4 constitute the support substrate 2
  • the electrode layer 4 formed thereon, such as being diffused in the silicon single crystal, can be prevented from affecting the silicon single crystal, and thus has anisotropy and conductivity, and Then, the electrode layer 4 is formed as desired using a material capable of epitaxially growing a dielectric material containing a bismuth layered compound, and oriented in the [001] direction, that is, in the c-axis direction. It is possible to make it.
  • the dielectric layer 5 made of the dielectric material containing the bismuth layered compound has the [001] orientation, that is, on the electrode layer 4 oriented in the c-axis direction, Since the dielectric material containing the bismuth layered compound is formed by epitaxial growth, the dielectric layer 5 can be surely oriented in the [001] direction and the c-axis orientation can be improved. become. Therefore, according to the present embodiment, the laminate unit 1 has the dielectric layer 5 formed of a dielectric material including a bismuth layered compound oriented in the [001] direction, that is, the c-axis direction.
  • an upper electrode is provided on the dielectric layer 5 of the multilayer unit 1 according to the present embodiment to produce a thin film capacitor, and a voltage is applied between the electrode layer 5 and the upper electrode.
  • the direction of the electric field almost coincides with the c-axis of the bismuth layered compound contained in the dielectric layer 5, and therefore, the bismuth layered compound contained in the dielectric layer 5 as a ferroelectric Since the properties can be suppressed and the properties as a paraelectric material can be fully exhibited, a small and large-capacity thin-film capacitor, together with other devices such as field-effect transistors and CPUs, can be used in silicon.
  • single Support substrate made of crystal Incorporation in 2 makes it possible to produce an integrated device with a semiconductor.
  • the laminate unit 1 has the dielectric layer 5 formed of a dielectric material containing a bismuth layered compound oriented in the [001] direction, that is, the c-axis direction.
  • the dielectric layer 5 containing the bismuth layered compound with improved c-axis orientation has high insulation properties, the dielectric layer 5 can be made thinner, and therefore, the thin film capacitor can be made more compact. It is possible to further reduce the size, and it is possible to further reduce the size of an integrated device with a semiconductor in which a thin film capacitor is incorporated.
  • a dielectric layer 5 formed of a dielectric material containing a bismuth layered compound having excellent characteristics as a denser material is laminated and formed in this order, but the laminated unit 1 is composed of a dielectric material.
  • a plurality of unit laminates each including at least the electrode layer 4 and the dielectric layer 5 may be laminated on the layer 5, and the dielectric of the uppermost unit laminate may be formed.
  • the top electrode By forming the top electrode on layer 5, It may be form a capacitor.
  • the electrode layers included in the unit laminate are When the crystal of the conductive material is epitaxially grown and is not formed, the bismuth layered compound is not oriented even when the dielectric material including the bismuth layered compound is epitaxially grown on the electrode layer.
  • the unit laminate is formed on the electrode layer and the electrode layer, [01 1] It is required that the dielectric layer 5 be formed of a dielectric material containing a buffer layer and a bismuth layered compound oriented in the direction, and be formed on the buffer layer.
  • One or two or more unit laminates formed of a dielectric material containing a layered compound and composed of a dielectric layer 5 formed on a buffer layer are arranged on the dielectric layer 5 in an arbitrary order.
  • the thin film capacitor may be formed by stacking and forming an upper electrode on the dielectric layer 5 of the uppermost unit stack.
  • the support substrate 2 of the laminate unit 1 is formed of silicon single crystal, but it is not always necessary to use the support substrate 2 formed of silicon single crystal.
  • the material for forming the semiconductor is not particularly limited as long as it is a material used for fabricating a semiconductor device incorporating various devices.For example, gallium arsenide may be used instead of silicon single crystal.
  • the support substrate 2 can also be formed by a crystal or the like.
  • the laminate unit 1 includes the barrier layer 3 formed of silicon oxide on the support substrate 2, and the barrier layer 3 formed on the support substrate 2 is formed of silicon oxide. It is not always necessary to form the electrode layer 4 on the support substrate 2 to prevent the constituent components of the electrode layer 4 formed thereon from being diffused into the support substrate 2 and to be affected by the electrode layer 4.
  • the paria layer 3 may be formed of any material that can be formed.
  • the support substrate 2 when arsenide gallium crystal is used, from the viewpoint of stability, in order that form a barrier layer, an aluminum oxide (A 1 2 0 3) and, ⁇ magnesium (M g O) is preferably used.
  • the laminate unit 1 includes the paria layer 3 Above stoichiometric composition formula: formed by B i 2 S r 2 C a C u 2 O 8 in represented by BSC CO (. Bismuth 'be sampled port Nchiumu calcium force wrapper-Okisa I Do), that Above, the electrode layer 4 which also functions as a buffer layer for epitaxially growing a dielectric material containing a bismuth layered compound is provided.
  • the electrode layer 4 is formed by a stoichiometric composition formula: Bi 2 S r 2 C a C u be formed by represented by BSC CO (bismuth 'scan Toronchi ⁇ -time calcium force wrapper-Okisai de) with 2 O 8 not absolutely necessary, the material forming the electrode layer 4 are different
  • the material is not particularly limited as long as it is anisotropic and conductive, and can be used to epitaxially grow a dielectric material containing a bismuth layered compound thereon.
  • An oxide superconductor is preferably used as a material having anisotropy and conductivity and on which a dielectric material containing a bismuth layered compound can be epitaxially grown.
  • a copper oxide superconductor having two faces is particularly preferably used.
  • the copper oxide superconductors having a C u 0 2 side the stoichiometric compositional formula:! B i 2 S r 2 C a n _ C u n 0 2 n + 4 at the indicated by BSC CO ( In addition to bismuth, sodium, calcium, iron, and oxide, a stoichiometric composition formula: YB a 2 Cu 3 ⁇ 7 — ⁇ YB CO (yttrium. Bismuth. Iron) Oxide).
  • the electrode layer 4 of the laminate unit 1 is formed by pulsed laser deposition (PLD), but the electrode layer 4 is formed by pulsed laser deposition (PLD).
  • the electrode layer 4 is not necessarily required, and the electrode layer 4 can be formed by vacuum evaporation, sputtering, organic metal deposition, or metal composition: K method (metai-organic chemical vapor deposition: MOCVD), and organic metal.
  • Stoichiometric composition formula: S r B i 4 T i 40 expressed by ⁇
  • a dielectric layer 5 formed of a dielectric material containing a bismuth layered compound having a composition represented by the following formula.On the electrode layer 4, the stoichiometric composition formula of the bismuth layered compound: 4, 3 Bi 2 + S r Stoichiometric composition formula: S r B i 4 T i 40 15
  • the dielectric layer 5 can also be formed from a dielectric material containing a compound.
  • the dielectric layer 5 of the multilayer unit 1 is formed by the metal-organic decomposition (MOD) method. It is not always necessary to form them by vacuum deposition, sputtering, pulsed laser deposition (PLD), metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD),
  • the dielectric layer 5 can be formed by another thin film forming method such as any other liquid phase method (CSD method).
  • the multilayer unit 1 is used as a component of the thin film capacitor.
  • the multilayer unit 1 is not only a component of the thin film capacitor but also includes an inorganic EL element. It can also be used as a laminate unit for emitting light. That is, in order to emit light from the inorganic EL element, an insulating layer is required between the electrode layer 4 and the inorganic EL element.
  • a dielectric material containing a bismuth layered compound having improved c-axis orientation is required.
  • the dielectric layer 5 has a high insulating property, and therefore, an inorganic EL element is disposed on the dielectric layer 5, and another electrode is disposed on the inorganic EL element. By applying a voltage to the inorganic EL element, the inorganic EL element can emit light as desired.
  • a semiconductor device can be used together with other devices such as a field effect transistor (FET) and a CPU (Central Processing Unit).
  • FET field effect transistor
  • CPU Central Processing Unit

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Description

明細書 電極層および誘電体層を含む積層体ュニッ ト 技術分野
本発明は、 電極層および誘電体層を含む積層体ュニッ トに関するも のであり、 さらに詳細には、 電界効果型トランジスタ （FET) や C PU (Central Processing Unit) などの他のデバイスとともに、 半導 体ウェハに組み込むのに適した小型で、 か 、 大容量の誘電特性に優 れた薄膜コンデンサを構成することができる電極層および誘電体層を 含む積層体ュニットに関するものである。 従来の技術
電界効果型トランジスタ (FET) や C PU (Central Processing Unit) などの他のデバイスとともに、 コンデンサを、 半導体ウェハに 組み込んで、 形成された半導体デバイスが知られている。
このような半導体デバイスにあっては、 コンデンサを、 他のデバィ スとともに、 半導体プロセスを用いて、 形成することが、 工程上、 有 利であるため、 従来は、 半導体プロセスによって形成することができ るシリコン系材料などよりなるコンデンサが、 半導体デバイスに形成 されていた。
しかしながら、 半導体プロセスによって形成することができるシリ コン系材料などは、 誘電率が低いため、 容量の大きいコンデンサを形 成しようとすると、 その面積が必然的に大きくなり、 半導体デバイス が大型化するという問題があった。
かかる問題を解決するために、 小型で、 容量の大きい薄膜コンデン サを半導体ウェハに組み込んで、 半導体デバイスを作製することが考 えられる。
'日本国公開特許公報第 200 1 - 1 5 3 8 2号は、 誘電体の材料と して、 P ZT、 P LZT、 (B a , S r ) T i〇3 (B S T)、 T a O 5などを用いた小型で、 容量の大きい薄膜コンデンサを開示している。 しかしながら、 これらの材料によって、 形成された誘電体薄膜は、 その厚みが薄くなると、 誘電率が低下するだけでなく、 たとえば、 1 0 0 k V / c mの電界を加えた場合に、 静電容量が大きく低下すると いう問題があり、 これらの材料を、 薄膜コンデンサの誘電体材料とし て、 用いた場合には、 小型で、 かつ、 大容量の薄膜コンデンサを得る ことは困難である。 さらに、 これらの材料によって、 形成された誘電 体薄膜は、 表面平滑性が低いため、 その厚みを薄くすると、 絶縁不良 などが生じやすくなるという問題もある。
このような問題を解決するためには、 薄膜コンデンサの誘電体とし て、 ビスマス層状化合物を用いることが考えられる。 ビスマス層状化 合物については、 竹中正著 「ビスマス層状構造強誘電体セラミックス の粒子配向とその圧電'焦電材料への応用」、京都大学工学博士論文（ 1
9 8 4 ) の第 3章の第 2 3〜 3 6頁に記載されている。
ビスマス層状化合物は結晶構造に異方性を有しており、 基本的に、 強誘電体としての性質を示すが、 ある配向軸方向については、'強誘電 体としての性質が小さく、 常誘電体としての性質を示すことが知られ ている。
ビスマス層状化合物が持つ強誘電体としての性質は、 ビスマス層状 化合物を、 薄膜コンデンサの誘電体として利用する場合には、 誘電率 の変動をもたらすため、 好ましくなく、 ビスマス層状化合物の常誘電 体としての性質が十分に発揮されることが好ましい。
よって、 ビスマス層状化合物の強誘電体としての性質が小さく、 常 誘電体としての性質を示す配向軸方向に、 ビスマス層状化合物が配向 された誘電体層を備え、 電界効果型トランジスタ （F E T ) や C P U ( Central Processing Unit) などの他のデパイスとともに、 半導体ゥ ェハに組み込むのに適した大容量の誘電特性に優れた薄膜コン の開発が望まれている。 発明の開示 したがって、 本発明は、 電界効果型トランジスタ （F E T ) や C P U ( Central Processing Unit) などの他のデバイスとともに、 半導体 ウェハに組み込むのに適した小型で、 かつ、 大容量の誘電特性に優れ た薄膜コンデンサを構成することができる電極層および誘電体層を含 む積層体ュニットを提供することを目的とするものである。
本発明のかかる目的おょぴその他の目的は、 半導体ウェハ上に、 バ リア層と、 異方性および導電性を有し、 かつ、 その上で、 ビスマス層 状化合物を含む誘電体材料をェピタキシャル成長させることができる 材料により、 形成され、 [ 0 0 1 ]方位に配向された電極層と、 前記電 極層上で、 ビスマス層状化合物を含む誘電体材料をェピタキシャル成 長させて、形成され、 [ 0 0 1 ]方位に配向されたビスマス層状化合物 を含む誘電体材料よりなる誘電体層とが、 この順に、 積層された積層 体ユニットによって達成される。
ここに、 [ 0 0 1 ] 方位とは、 立方晶、 正方晶、 単斜晶および斜方晶 における [ 0 0 1 ] 方位のことをいう。
本発明によれば、 半導体ウェハ上に、 パリア層が形成されているか ら、 電極層の成分が、 半導体ウェハ中に拡散するなど、 半導体ウェハ 力 s、 電極層の影響を受けることが防止され、 したがって、 異方性およ ぴ導電性を有し、 かつ、 その上で、 ビスマス層状化合物を含む誘電体 材料をェピタキシャル成長させることができる材料により、 所望のよ うに、'電極層を形成し、 [ 0 0 1 ] 方位に配向させることができる。 また、 本発明によれば、 電極層は、 異方性および導電性を有し、 か つ、 その上で、 ビスマス層状化合物を含む誘電体材料をェピタキシャ ル成長させることができる材料によって形成され、 [ 0 0 1 ]方位に配 向されているから、 バッファ層としても機能し、 したがって、 電極層 上で、 ビスマス層状化合物を含む誘電体材料をェピタキシャル成長さ せて、確実に、 [ 0 0 1 ]方位に配向したビスマス層状化合物を含む誘 電体層を形成することが可能になる。
したがって、 本発明によれば、 誘電体層に含まれるビスマス層状化 合物の c軸を、 電極層に対して、 垂直に配向させることが可能になる から、 たとえば、 誘電体層上に、 上部電極を設け、 電極層と上部電極 との間に電圧を印加した場合に、 電界の方向が、 誘電体層に含まれる ビスマス層状化合物の c軸とほぼ一致し、 したがって、 誘電体層に含 まれるビスマス層状化合物の強誘電体としての性質を抑制して、 常誘 電体としての性質を十分に発揮させることが可能になるから、小型で、 かつ、 大容量の薄膜コンデンサを、 他のデバイスとともに、 半導体ゥ ェハに組み込んで、 半導体との一体化デバイスを作製することが可能 になる。
さらに、 c軸配向性が向上されたビスマス層状化合物を含む誘電体 材料よりなる誘電体層は高い絶縁性を有しているから、 誘電体層を薄 膜化することができ、 したがって、 本発明によれば、 薄膜コンデンサ を、 より一層小型化することが可能になり、 薄膜コンデンサが組み込 まれた半導体との一体化デバイスを、 より一層小型化することが可能 になる。
また、 本発明によれば、 誘電体層上に、 上部電極を形成して、 作製 された薄膜コンデンサ上に、 C P U (Central Processing Unit) など の他の半導体デパイスを実装する場合に、 他の半導体デバイスは、 半 導体ゥェハ上に形成されているのが一般であるから、 他の半導体デバ イスの半導体ウェハが、 積層体ュニットの半導体ウェハと同じ材料を 形成されていれば、 薄膜コンデンサの熱膨張率と、 その上に実装され た他の半導体デバイスの熱膨張率とが合致し、 実装されたデバイス間 の熱膨張率の相違に起因して、 両デパイスの接合部が破損されること を効果的に防止することが可能になる。
本発明において、 ビスマス層状化合物を含む誘電体材料は、 不可避 的な不純物を含んでいてもよい。
本発明において、半導体ウェハを形成するための材料としては、種々 のデバイスを組み込んだ半導体デバイスを作製するのに用いられる材 料であれば、 とくに限定されるものではなく、 たとえば、 シリ コン単 結晶、 砒化ガリゥム結晶などを用いることができる。
本発明において、 積層体ユニットは、 半導体ウェハ上に、 パリア層 を備えている。 パリア層は、 パリア層上に形成される電極層の構成成 分が、 半導体ウェハ中に拡散するなど、 半導体ウェハが、 電極層の影 響を受けることを防止する機能を有している。
本発明において、 パリア層を形成するための材料は、 半導体ウェハ 力 、電極層の影響を受けることを防止することができる材料であれば、 とくに限定されるものではない。 半導体ウェハとして、 シリ コン単結 晶が用いられる場合には、 コスト面力、ら、パリァ層を形成するために、 酸化シリコンが好ましく用いられ、 半導体ウェハとして、 砒化ガリウ ム結晶が用いられる場合には、 安定性の観点から、 パリア層を形成す るために、 酸化アルミニウム （A 1 2 0 3 ) や、 酸化マグネシウム （M g O ) が好ましく用いられる。
また、 パリア層は、 その上に形成された電極層が、 半導体ウェハに 影響を与えない程度の厚さあるいはそれ以上の厚さに形成される。 本発明において、積層体ュニットは、 パリア層上に、 [ 0 0 1 ]方位 に、 すなわち、 c軸方向に配向された電極層を備えている。
本発明において、 電極層は、 異方性および導電性を有し、 かつ、 そ の上で、 ビスマス層状化合物を含む誘電体材料をェピタキシャル成長 させることができる材料によって形成され、 [ 0 0 1 ]方位に配向され ている。 したがって、 電極層は、 電極としての機能と、 その上で、 ビ スマス層状化合物を含む誘電体材料をェピタキシャル成長させて、 [ 0 0 1 ] 方位に、 すなわち、 c軸方向に配向されたビスマス層状化 合物を含む誘電体層を確実に形成できるように保証するバッファ層と しての機能を有している。
酸化シリコンなどによって形成されたパリア層上に、 白金などから なる電極層を直接形成する場合には.、電極層が、 [ 1 1 1 ]方位に配向 しゃすいため、 電極層上に、 ビスマス層状化合物を含む誘電体材料よ りなる誘電体層をェピタキシャル成長させて、 ビスマス層状化合物を [ 0 0 1 ] 方位に、 すなわち、 c軸方向に配向させることが困難にな る。 しかしながら、 本発明においては、 電極層は、 異方性および導電 性を有し、 かつ、 その上で、 ピ、スマス層状化合物を含む誘電体材料を ェピタキシャル成長させることができる材料によつて形成されている から、 電極層を [ 0 0 1 ] 方位に配向することができ、 したがって、 その上で、 ビスマス層状化合物を含む誘電体材料をェピタキシャル成 長させて、 誘電体層を形成し、 誘電体層に含まれたビスマス層状化合 物を、 確実に、 [ 0 0 1 ] 方位に、 すなわち、 c軸方向に配向させるこ とが可能になる。
本発明において、 電極層を形成するための材料は、 異方性および導 電性を有し、 かつ、 その上で、 ビスマス層状化合物を含む誘電体材料 をェピタキシャル成長させることができる材料であれば、 とくに限定 されるものではないが、酸化物超伝導体が、電極層を形成するために、 好ましく使用される。
酸化物超伝導体の中でも、 C u 02面を有する銅酸化物超伝導体が、 電極層を形成するために、 とくに好ましく使用される。
本発明において、 電極層を形成するために、 とくに好ましく使用さ れる C u 02面を有する銅酸化物超伝導体の例としては、 化学量論的 糸且成式： B i 2 S r 2 C a n— i C U nO sn + で示される B S C C O (ビ スマス 'スト口ンチウム .カルシウム ·力ッパー ·ォキサイ ド）、 化学 量論的組成式： YB a 2 C u 307— δで示される Y B C O (イツトリ ゥム · ビスマス ·力ッパー ·ォキサイ ド） が挙げられる。
本発明において、 電極層に含まれている異方性および導電性を有す る材料の [ 0 0 1 ]方位の配向度、すなわち、 c軸配向度 が 1 0 0 % であることは必ずしも必要でなく、 c軸配向度 が 8 0 %以上であれ ばよい。 c軸配向度 が 9 0 %であることが好ましく、 c軸配向度 が 9 5 %以上であると、 より好ましい。
ここに、 異方性おょぴ導電性を有する材料の c軸配向度 は、 次式 ( 1 ) によって定義される。
F (%) = (Ρ- Ρ0) / ( 1 - Ρο 1 0 0 … （1 ) 式 （1 ) において、 。は、 完全にランダムな配向をしている異方 性および導電性を有する材料の c軸配向比、 すなわち、 完全にランダ ムな配向をしている異方性おょぴ導電性を有する材料の （0 0 -? ) 面 からの反射強度 /。 （0 0 -Z) の合計∑ I 0 (00 と、 その異方性 および導電性を有する材料の各結晶面 、h k 1、 からの反射強度 /。
{h k 1) の合計∑ I 0 、h k 1、 との比 （0 0 J) ノ∑ /。
( k /)}) であり、 は、 X線回折強度を用いて算出された異方性 および導電性を有する材料の c軸配向比、 すなわち、 ビスマス層状化 合物の （0 0 ) 面からの反射強度 I (0 0 2) の合計∑ I (0 0 1) と、 異方性おょぴ導電性を有する材料の各結晶面 （ ^ 7) からの反 射強度 I {h k 1) の合計∑ I {h k 1) との比 （{∑ / ( 0 0 2) /∑ I (h k 1)}) である。 ここに、 h、 i：、 ゾは、 それぞれ、 0以 上の任意の整数値を取ることができる。
ここに、 尸 0は既知の定数であるから、 （0 0 1、 面からの反射強度 I (0 0 1) の合計∑ I (0 0 2) と、 各結晶面 h k I、 からの反 射強度 I {h k 1) の合計∑ I {h k 1) が等しいとき、 すなわち、 尸 = 1のときに、 異方性おょぴ導電性を有する材料の c軸配向度 は 1 0 0 %となる。
本発明において、 電極層は、 真空蒸着法、 スパッタリ ング法、 パル スレーザー蒸着法（P LD)、有機金属化学気相成長法（metal-organic chemical vapor deposition： M O C V D 、 有機金 分角军法 metal - organic decomposition： MOD) ゃゾル ·ゲノレ法などの液相法 ( C S D法） などの各種薄膜形成法を用いて、 形成することができる。 本発明において、積層体ュニットは、 電極層上に、 [0 0 1]方位に、 すなわち、 c軸方向に配向されたビスマス層状化合物を含む誘電体材 料よりなる誘電体層を備えている。
本発明において、 誘電体層は、 ビスマス層状化合物を含む誘電体材 料を、 電極層上で、 ェピタキシャル成長させることによって形成され る。
誘電体層は、 [ 00 1 ]方位に配向されている電極層上で、 ビスマス 層状化合物を含む誘電体材料をェピタキシャル成長させて、 形成され るから、 誘電体層に含まれているビスマス層状化合物を、確実に、 [ 0 0 1 ] 方位に、 すなわち、 c軸方向に配向させることができ、 したが o
つて、 本発明にかかる積層体ユニッ トを用いて、 薄膜コンデンサを構 成したときに、 誘電体層に含まれるビスマス層状化合物は、 強誘電体 としてではなく、 常誘電体として機能するから、 小型で、 かつ、 大容 量の誘電特性に優れた薄膜コンデンサを、 他のデバイスとともに、 半 導体ウェハに組み込むことが可能になる。
誘電体層を形成するビスマス層状化合物としては、 コンデンサ材料 としての特性に優れたビスマス層状化合物が選ばれる。
ビスマス層状化合物は、 化学量論的組成式：（B i 2〇2) 2 + (Am_ l Bm 3m+ 1) 2—、 あるいは、 B i 2Am— で表わされる 組成を有している。 ここに、 化学量論的組成式中の記号 _mは正の整数 であり、 記号^ は、 ナトリウム （N a )、 カリウム （K)、 鉛 （P b )、 バリ ウム （B a)、 ス トロンチウム （S r；)、 カルシウム （C a ) およ ぴビスマス （B i ) からなる群より選ばれる少なく とも 1つの元素で あり、 記号 5は、 鉄 （F e)、 コバルト （C o)、 クロム （C r )、 ガ リ ウム （G a)、 チタン （T i )、 ニオブ （N b)、 タンタル （T a)、 アンチモン （S b)、 マンガン （Mn)、 バナジウム （V)、 モリブデン ' (Mo ) およびタングステン （W) からなる群より選ばれる少なく と も 1つの元素である。 記号^ および Zまたは^を 2つ以上の元素で構 成する場合、 それらの比率は任意である。
第 1図に示されるように、 ビスマス層状化合物は、 それぞれが
03 l aで構成される （in— 1 ) 個のぺロブスカイ ト格子が連なった 層状べロブスカイ ト層 1と、 （B i 202) 2+層 2とが、 交互に積層さ れた層状構造を有している。
層状べロプスカイ ト層 1 と （B i 2O2) 2 +層 2の積層数は、 とくに 限定されるものではなく、 少なく とも一対の （B i 202) 2+層 2と、 これらに挟まれた一つの層状べロブスカイ ト層 1を備えていれば十分 である。
ビスマス層状化合物の c軸とは、 一対の （B i 202') 2+層 2同士を 結ぶ方向、 すなわち、 [ 0 0 1 ] 方位を意味する。
これらのビスマス層状化合物のうち、 コンデンサ材料としての特性 に優れたビスマス層状化合物が、 誘電体層を形成するために用いられ る。
本発明において、 誘電体層を形成するために用いられるビスマス層 状化合物は、 コンデンサ材料としての特性に優れたビスマス層状化合 物であれば、 とくに限定されるものではないが、 化学量論組成式にお いて、 ^= 4の化学量論的組成式： （B i 2O2) 2+ (A3 B401 3) 2 ―、 あるいは、 B i 2 3 4O丄 5で表わされるビスマス層状化合物が コンデンサ材料としての特性に優れ、 好ましく使用される。
本発明において、 バッファ層に含まれているビスマス層状化合物の [0 0 1 ] 方位の配向度、 すなわち、 c軸配向度 が 1 0 0 %である ことは必ずしも必要でなく、 c軸配向度 が 8 0 %以上であればよい。 c軸配向度 Fが 9 0 °/0であることが好ましく、 c軸配向度 Fが 9 5 % 以上であると、 より好ましい。
ビスマス層状化合物の c軸配向度 ま、 式 （1 ) によって定義され る。
このように、 ビスマス層状化合物を、 [0 0 1 ]方位に、すなわち、 c軸方向に配向させることによって、 誘電体層の誘電特性を大幅に向 上させることが可能になる。
すなわち、 本発明にかかる積層体ユニッ トの誘電体層上に、 たとえ ば、 上部電極を形成して、 薄膜コンデンサを作製した場合、 誘電体層 の膜厚をたとえば 1 0 0 nm以下にしても、 比較的高い誘電率と低い 損失 （ t a η δ ) を有する薄膜コンデンサを得ることができ、 リーク 特性に優れ、 耐圧が向上し、 誘電率の温度特性に優れ、 表面平滑性に も優れた薄膜コンデンサを得ることが可能になる。
本発明において、 とくに好ましくは、 誘電体層に含まれるビスマス 層状化合物が、 化学量論的組成式： C a XS r (1— x) B i 4T i 401 5 で表わされる組成を有している。 ここに、 0≤ ≤1である。 このよ うな組成を有するビスマス層状化合物を用いると、 比較的.大きな誘電 率を有する誘電体層が得られるとともに、 その温度特性がさらに向上 する。 本発明において、 誘電体層に含まれるビスマス層状化合物の化学量 論的組成式中の記号^ または^で表わされる元素の一部が、 スカンジ ゥム （S.c； )、 イットリウム （Y)、 ランタン （L a)、 セリウム （C e)、 プラセオジム （P r )、 ネオジム （N d)、 プロメチウム （Pm)、 サマ リウム （Sm)、 ユウ口ピウム （E u)、 ガドリニウム （G d)、 テルビ ゥム （T b)、 ジスプロシウム （D y)、 ホルミゥム （H 0)、 エルビゥ ム （E r )、 ツリウム （Tm)、 イッテルビウム （Yb) およぴルテチ ゥム （L u) からなる群より選ばれる少なく とも 1つの元素 e (ィ ットリウム （Y) または希土類元素） によって置換されていることが 好ましい。
,元素 ? eによって、 置換する場合には、 好ましい置換量は、 _mの値 により異なるが、 たとえば、 n= 3のときは、 化学量論的組成式： B. i 2A2— e 3 O 2において、 好ましくは、 0. 4≤ ≤ 1. 8 であり、 より好ましくは、 1. 0≤ x≤ l . 4である。 元素 によ る置換量をこの範囲に設定すれば、 誘電体層のキュリー温度 （強誘電 体から常誘電体への相転移温度） を、 好ましくは、 一 1 00°C以上、 1 00°C以下、 より好ましくは、 一 50°C以上、 50°C以下に収める ことが可能となる。 キュリ一点が一 1 00°Cないし + 1 00°Cである と、 誘電体層の誘電率が向上する。 キュリー温度は、 D S C (示差走 查熱量測定） などによって測定することができる。 なお、 キュリー点 が室温 （25°C) 未満になると、 t a η δがさらに減少し、 その結果、 損失 Q値がさらに上昇する。
また、 J3 = 4の場合には、 化学量論的組成式： B i 2A3_XR e XB 40 5において、 好ましくは、 0 ,· 0 1≤ x≤ 2. 0であり、 より好 ましくは、 0. 1≤ぶ≤ 1. 0である。
本発明にかかる積層体ュニットの誘電体層は、 優れたリーク特性を 有しているが、 ビスマス層状化合物の化学量論的組成式中の記号^ ま たは 5で表わされる元素の一部が、 元素 ? eによって、 置換されてい る場合には、 誘電体層のリーク特性を一層向上させることができ、 好 ましい。 たとえば、 ビスマス層状化合物の化学量論的組成式中の記号^ また は で表わされる元素の一部が、 元素 ? eによって、 置換されていな い場合においても、 本発明にかかる積層体ユニットの誘電体層は、 電 界強度 5 0 k V/ c mで測定したときのリーク電流を、 好ましくは、 1 X 1 0 _7 A/ c m2以下、 より好ましくは、 5 X 1 0— 8A/c m2 以下に抑制することができ、 しかも、 ショート率を、 好ましくは、 1 0 %以下、 より好ましくは、 5 %以下にすることができるが、 ビスマ ス層状化合物の化学量論的組成式中の記号^ または^で表わされる 元素の一部が、 元素 ? eによって、 置換されている場合には、 同条件 で測定したときのリーク電流を、 好ましくは、 5 X 1 0 8 A/ c m2 以下、 より好ましくは、 1 X 1 0 -8 A/ c πι2以下にすることができ、 ショート率を、 好ましくは、 5 %以下、 より好ましくは、 3 %以下に することができる。
本発明において、 誘電体層は、 真空蒸着法、 スパッタリング法、 パ ルスレーザー蒸着法 （P LD)、 有機金属化学気相成長法 （metal- organic chemical vapor deposition： MO CVD 有機金属分解法 (metal - organic decomposition： MO D ) ゃゾノレ ·ゲノレ法などの 液相法 （C SD法） などの各種薄膜形成法を用いて、 形成することが できる。 とくに低温で、 誘電体層を形成する必要がある場合には、 プ ラズマ CVD、 光 CVD、 レーザー CVD、 光 C S D、 レーザー C S D法を用いることが好ましい。
本発明にかかる電極層おょぴ誘電体層を含む積層体ュニットは、 薄 膜コンデンサの構成部品としてだけでなく、 無機 E L素子を発光させ るための積層体ユニットとして用いることもできる。 すなわち、 無機 E L素子を発光させるためには、 電極層と、 無機 E L素子との間に、 . 絶縁層が必要であるが、 c軸配向性が向上されたビスマス層状化合物 を含む誘電体材料よりなる誘電体層は高い絶縁性を有してお 、 した がって、 誘電体層上に、 無機 E L素子を配置するとともに、 無機 E L 素子上に、 別の電極を配置し、 電極層と別の電極との間に電圧を加え ることによって、 無機 E L素子を、 所望のように、 発光させることが 可能になる。
本発明の前記およびその他の目的や特徴は、 添付図面に基づいた以 下の説明から明らかになるであろう。 図面の簡単な説明
第 1図は、 ビスマス層状化合物の構造を模式的に示す図である。 第 2図は、 本発明の好ましい実施態様にかかる積層体ユニッ トの略 一部断面図である。 発明の好ましい実施態様の説明
以下、 添付図面に基づき、 本発明の好ましい実施態様につき、 詳細 に説明を加える。
第 2図は、 本発明の好ましい実施態様にかかる積層体ュ-ットの略 一部断面図である。
第 2図に示されるように、本実施態様にかかる積層体ュニット 1は、 支持基板 2上に、 パリア層 3、 電極層 4および誘電体層 5が、 この順 に、 積層されて、 形成されている。
本実施態様において、 積層体ユニット 1の支持基板 2は、 シリコン 単結晶によつて形成されている。
本実施態様にかかる積層体ユニッ ト 1は、 支持基板 2上に、 酸化シ リコンによって形成されたバリア層 3を備えている。
酸化シリコンよりなるパリア層 3は、 たとえば、 シリコンの熱酸化 によって形成される。
第 2図に示されるように、 パリア層 3上には、 電極層 4が形成され ており、 本実施態様においては、 電極層 4は、 化学量論的組成式： B i 2 S r 2C a C u 2O8によつて表わされる糸且成を有する B S C C O (ビスマス ' ス ト口ンチゥム ·カルシウム · 力ッパー · ォキサイ ド） によって、 形成され、 [0 0 1] 方位に配向されている。
シリコン単結晶によって形成された支持基板 2上に、 B S CCO (ビ スマス .ス トロンチウム · カルシウム 'カッパ一 . オキサイ ド） より なる電極層 4を直接形成する場合には、 B S C CO (ビスマス ' ス ト 口ンチウム .カルシウム ·力ッパー ·ォキサイ ド） の構成成分が、 支 持基板 2を構成するシリコン単結晶中に拡散し、 [0 0 1 ]方位に、す なわち、 c軸方向に配向された電極層 4を形成することはできないが、 本実施態様においては、 電極層 4は、 シリ コン単結晶によって形成さ れた支持基板 2上に形成されているバリァ層 3上に形成されるから、 B S CCO (ビスマス ' ス トロンチウム ' カノレシゥム ' カッパ一 ' ォ キサイ ド） の構成成分が、 支持'基板 2を構成するシリ コン単結晶中に 拡散することを効果的に防止し、 [0 0 1 ]方位に、 すなわち、 c軸方 向に配向された B S C CO (ビスマス 'ス ト口ンチウム 'カルシウム · カッパ一 ·オキサイ ド） よりなる電極層 4を、 所望のように、 形成す ることが.可能になる。
したがって、 パリァ層 3は、 B S C CO (ビスマス ' ス ト口ンチウ ム · カルシウム · カッパ一 · 才キサイ ド） の構成成分が、 支持基板 2 を構成するシリコン単結晶中に拡散することを防止するのに十分な厚 さ、 たとえば、 1 0 μ m以上の厚さを有している。
第 2図に示されるように、本実施態様にかかる積層体ュニッ ト 1は、 ノ リァ層 3上に、化学量論的組成式： B i 2S r 2C a C u 208によつ て表わされる組成を有する B S CCO (ビスマス ' ス ト口ンチウム · カルシウム '力ッパー 'オキサイ ド） によって、 形成され、 [00 1 ] 方位に配向された電極層 4を備えている。
化学量論的組成式： B i 2 S r 2 C a C u 2 O 8によって表わされる組 成を有する B S C C O (ビスマス ' ス ト口ンチウム ·カルシウム ·力 ッパー，オキサイ ド） は、 異方性および導電性を有し、 かつ、 その上 で、 ビスマス層状化合物を含む誘電体材料をェピタキシャル成長させ ることができる性質を有している。
したがって、 電極層 4は、 電極としての機能と、 その上で、 ビスマ ス層状化合物を含む誘電体材料をェピタキシャル成長させて、 [0 0 1 ] 方位に、 すなわち、 c軸方向に配向されたビスマス層状化合物を 含む誘電体層 5を確実に形成できるように保証するバッファ層として の機能を有している。
酸化シリコンなどによって形成されたバリァ層 3上に、 白金などか らなる電極層を直接形成する場合には、電極層が、 [ 1 1 1 ]方位に配 向しやすいため、 電極層上で、 ビスマス層状化合物を含む誘電体材料 よりなる誘電体層をェピタキシャル成長させて、 ビスマス層状化合物 を [0 0 1 ] 方位.に、 すなわち、 c軸方向に配向させることは困難に なる。 しかしながら、 本実施態様においては、 電極層 4は、 化学量論 的組成式： B i 2 S r 2 C a C u 2 O 8によって表わされる組成を有する B S C CO (ビスマス ' ス ト口ンチウム · カノレシゥム · 力ヅパー · ォ キサイ ド） によって形成され、 異方性おょぴ導電性を有し、 かつ、 そ の上で、 ビスマス層状化合物を含む誘電体材料をェピタキシャル成長 させることができる材料によって形成されているから、電極層 4を [ 0 0 1] 方位に配向することができ、 したがって、 その上で、 ビスマス 層状化合物を含む誘電体材料をェピタキシャル成長させて、 誘電体層 5を形成し、 誘電体層 5に含まれたビスマス層状化合物を、 確実に、 [0 0 1] 方位に、 すなわち、 c軸方向に配向させることが可能にな る。
本実施態様において、化学量論的組成式： B i 2 S r 2C a C u 2Os によって表わされる組成を有する B S CCO (ビスマス . ス ト口ンチ ゥム ·カルシウム ·カッパ一 ·オキサイ ド） よりなる電極層 4は、 た とえば、 パルスレーザー蒸着法 （P LD) によって形成される。
パルスレーザー蒸着法 （P LD) を用いて、 化学量論的組成式： B i 2 S r 2C a C u 208によつて表わされる糸且成を有する B S C C O (ビスマス ' ス ト口ンチウム ·カルシウム ·力ッパー ·ォキサイ ド） よりなる電極層 4を形成す.る場合には、 たとえば、 原料として、 B i 2 S r 2 C a C u 2 O 8によって表わされる組成を有する B S C C O (ビ スマス · ス トロンチウム . カノレシゥム · 力ッパー ' オキサイ ド） をタ ーゲッ トとして用い、 酸化シリコンよりなるバリア層 3の温度を 6 5 0°Cに保持して、 1 0 0 nmの厚さを有し、 [0 0 1 ]方位に配向され た電極層 4が形成される。 第 2図に示されるように、本実施態様にかかる積層体ュニット 1は、 電極層 4上に形成された誘電体層 5を備えている。 . . 本実施態様において、 誘電体層 5は、 ビスマス層状化合物の化学量 論的組成式において、 2π == 4、 ^ 5 = B i 2 + S r とした化学量論的組 成式： S r B i 4 T i 4 O 5で表わされ、 コンデンサ材料としての特性 に優れたビスマス層状化合物を含む誘電体材料によって形成されてい る。
本実施態様においては、 誘電体層 5は、 有機金属分解法 （metal - organic decomposition： M O D ) によって、 電極層 4上に开成され る。
具体的には、 2—ェチルへキサン酸 S rのトルエン溶液と、 2—ェ チノレへキサン酸 B iの 2—ェチルへキサン酸溶液と、 2—ェチルへキ サン酸 T i のトルエン溶液を、 2—ェチルへキサン酸 S rが 1モル、 2ーェチルへキサン酸 B iが 4モル、 2—ェチルへキサン酸 T iが 4 モルとなるように、 化学量論比で混合し、 トルエンで希釈して、 得た 原料溶液を、 スピンコーティング法によって、 電極層 4上に塗布し、 乾燥後、 得られた誘電体層 5を結晶化させない温度条件で、 仮焼成す る。
次いで、 仮焼成した誘電体層 5上に、 スピンコーティング法によつ て、 同じ原料溶液を塗布して、 乾燥し、 仮焼成し、 この操作を繰り返 す。
仮焼成が完了すると、 誘電体層 5が本焼成され、 必要な厚さの誘電 体層 5、 たとえば、 1 0 0 n mの厚さの誘電体層 5が得られるまで、 塗布、 乾燥、 仮焼成、 塗布、 乾燥、 仮焼成および本焼成よりなる一連 の操作が繰り返される。
この過程で、 ビスマス層状化合物を含む誘電体材料はェピタキシャ ル成長し、 [ 0 0 1 ]方位に、 すなわち、 c軸方向に配向された誘電体 層 5が形成される。
本実施態様によれば、 積層体ユニット 1は、 シリ コン単結晶よりな る支持基板 2上に、 パリア層 3、 電極層 4および誘電体層 5が積層さ れた構造を有しているから、 たとえば、 誘電体層 5上に、 上部電極を 設けることによって、 シリコン単結晶よりなる支持基板 2に、 電界効 果型トランジスタや C P Uなどの他のデバイスとともに、 薄膜コンデ ンサを容易に組み込んで、 半導体との一体化デバイスを作製すること が可能になる。
また、 本実施態様によれば、 シリコン単結晶によって形成された支 持基板 2上に、酸化シリコンによって、パリア層 3が形成されるから、 電極層 4の構成成分が、 支持基板 2を構成するシリコン単結晶中に拡 散するなど、 その上に形成される電極層 4が、 リコン単結晶に影響 を与えることを防止することができ、 したがって、 異方性および導電 性を有し、 かつ、 その上で、 ビスマス層状化合物を含む誘電体材料を ェピタキシャル成長させることができる材料によって、所望のように、 電極層 4を形成し、 [ 0 0 1 ] 方位に、 すなわち、 c軸方向に配向させ ることが可能になる。
さらに、 本実施態様によれば、 ビスマス層状化合物を含む誘電体材 料よりなる誘電体層 5は、 [ 0 0 1 ] 方位に、 すなわち、 c軸方向に配 向された電極層 4上で、 ビスマス層状化合物を含む誘電体材料をェピ タキシャル成長させて、 形成されるから、 誘電体層 5を、 確実に、 [ 0 0 1 ] 方位に配向させ、 c軸配向性を向上させることが可能になる。 したがって、 本実施態様によれば、 積層体ユニット 1は、 [ 0 0 1 ] 方位に、 すなわち、 c軸方向に配向されたビスマス層状化合物を含む 誘電体材料によって形成された誘電体層 5を有しているから、 たとえ ば、 本実施態様にかかる積層体ユニット 1の誘電体層 5上に、 上部電 極を設けて、 薄膜コンデンサを作製し、 電極層 5と上部電極との間に 電圧を印加したときに、 電界の方向が誘電体層 5に含まれているビス マス層状化合物の c軸とほぼ一致し、 したがって、 誘電体層 5に含ま れているビスマス層状化合物の強誘電体としての性質を抑制して、 常 誘電体としての性質を十分に発揮させることが可能になるから、 小型 で、 かつ、 大容量の薄膜コンデンサを、 電界効果型トランジスタや C P Uなどの他のデバイスとともに、 シリコン単結晶よりなる支持基板 2に組み込んで、 半導体との一体化デバイスを作製することが可能に なる。
さらに、 本実施態様によれば、 積層体ュニット 1は、 [ 0 0 1 ]方位 に、 すなわち、 c軸方向に配向されたビスマス層状化合物を含む誘電 体材料によって形成された誘電体層 5を有し、 c軸配向性が向上され たビスマス層状化合物を含む誘電体層 5は高い絶縁性を有しているか ら、 誘電体層 5を薄膜化することができ、 したがって、 薄膜コンデン サを、 より一層小型化することが可能になり、 薄膜コンデンサが組み 込まれた半導体との一体化デバイスを、 より一層小型化することが可 能になる。
本発明は、 以上の実施の形態に限定されることなく、 特許請求の範 囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、 それらも本 発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
たとえば、 前記実施態様においては、 積層体ユニット 1は、 支持基 板 2上に、 パリァ層 3、 化学量論的組成式： B i 2 S r 2 C a C u 2〇8 によって表わされる組成を有する B S C C O (ビスマス · ス トロンチ ゥム · カルシウム ·力ッパー ·ォキサイ ド） によって形成された電極 層 4および化学量論的組成式： S r B i 4 T i 4 0 1 5で表わされ、 コン デンサ材料としての特性に優れたビスマス層状化合物を含む誘電体材 料によって形成された誘電体層 5が、 この順に、 積層されて、 形成さ れているが、 積層体ユニッ ト 1は、 誘電体層 5上に、 さらに、 それぞ れが、 少なく とも、 電極層 4および誘電体層 5を含む複数の単位積層 体が、 積層されて形成されていてもよく、 最上の単位積層体の誘電体 層 5上に、 上部電極を形成することによって、 薄膜コンデンサを形成 するようにしてもよい。 ただし、 積層体ュニット 1が、 誘電体層 5上 に、 さらに、 複数の単位積層体が積層されて形成されている場合に、 単位積層体に含まれる電極層が、 誘電体層 5上で、 導電性材料の結晶 をェピタキシャル成長させて、形成されていないときは、電極層上で、 ビスマス層状化合物を含む誘電体材料をェピタキシャル成長させても、 ビスマス層状化合物を [ 0 0 1 ] 方位に配向させることが困難で、 [ 0 0 1 ] 方位に配向されたビスマス層状化合物を含む誘電体材科よりな る誘電体層 5を形成することが困難であるから、 単位積層体を、 電極 層、電極層上に形成され、 [ 0 0 1 ]方位に配向されたバッファ層およ びビスマス層状化合物を含む誘電体材料によって形成され、 バッファ 層上に形成された誘電体層 5によって構成することが要求される。 さ らに、 電極層 4および誘電体層 5によって構成された 1または 2以上 の単位積層体と、 電極層、 電極層上に形成され、 [ 0 0 1 ]方位に配向 されたバッファ層およびビスマス層状化合物を含む誘電体材料によつ て形成され、 バッファ層上に形成された誘電体層 5によって構成され た 1またば 2以上の単位積層体を、 誘電体層 5上に、 任意の順序で、 積層し、 最上の単位積層体の誘電体層 5上に、 上部電極を形成するこ とによって、 薄膜コンデンサを形成するようにしてもよい。
また、前記実施態様においては、積層体ュニット 1の支持基板 2は、 シリコン単結晶によって形成されているが、 シリコン単結晶によって 形成された支持基板 2を用いることは必ずしも必要でなく、 支持基板 2を形成するための材料としては、 種々のデバイスを組み込んだ半導 体デバイスを作製するのに用いられる材料であれば、 とくに限定され るものではなく、 たとえば、 シリコン単結晶に代えて、 砒化ガリウム 結晶などによって、 支持基板 2を形成することもできる。
さらに、 前記実施態様においては、 積層体ユニット 1は、 支持基板 2上に、酸化シリコンによって形成されたバリァ層 3を備えているが、 支持基板 2上に形成されるパリァ層 3を、 酸化シリコンによって形成 することは必ずしも必要でなく、 その上に形成される電極層 4の構成 成分が、 支持基板 2中に拡散するなど、 支持基板 2が電極層 4の影響 を受けることを防止することができる材料であれば、いかなる材料で、 パリア層 3を形成してもよい。 たとえば、 支持基板 2として、 砒化ガ リウム結晶が用いられる場合には、 安定性の観点から、 バリア層を形 成するために、 酸化アルミニウム （A 1 2 0 3 ) や、 酵化マグネシウム (M g O ) が好ましく用いられる。
また、 前記実施態様においては、 積層体ユニット 1は、 パリア層 3 上に、化学量論的組成式： B i 2 S r 2C a C u 2 O 8で表わされる B S C CO (ビスマス ' ス ト口ンチウム . カルシウム · 力ッパー · ォキサ ィ ド） によって形成され、 その上で、 ビスマス層状化合物を含む誘電 体材料をェピタキシャル成長させるためのバッファ層としても機能す る電極層 4を備えているが、 電極層 4を、 化学量論的組成式： B i 2 S r 2 C a C u 2 O 8で表わされる B S C CO (ビスマス ' ス トロンチ ゥム ·カルシウム ·力ッパー ·ォキサイ ド） によって形成することは 必ずしも必要でなく、 電極層 4を形成する材料は、 異方性および導電 性を有し、 かつ、 その上で、 ビスマス層状化合物を含む誘電体材料を ェピタキシャル成長させることができる材料であれば、 とくに限定さ れるものではない。 異方性および導電性を有し、 かつ、 その上で、 ビ スマス層状化合物を含む誘電体材料をェピタキシャル成長させること ができる材料としては、 酸化物超伝導体が好ましく用いられ、 C u O 2面を有する銅酸化物超伝導体がとくに好ましく用いられる。 C u 02 面を有する銅酸化物超伝導体の例としては、 化学量論的組成式： B i 2 S r 2 C a n_! C un02 n + 4で示される B S C CO (ビスマス · ス ト 口ンチウム · カルシウム ·力ッパー ·ォキサイ ド） の他に、 化学量論 的組成式： YB a 2C u 3〇7— δで表わされる Y B CO (イットリウ ム . ビスマス .力ッパー ·ォキサイ ド） が挙げられる。
さらに、前記実施態様においては、積層体ュニット 1の電極層 4は、 パルスレーザー蒸着法 （P LD) によって形成されているが、 電極層 4を、 パルスレーザー蒸着法 （P LD) によって形成することは必ず しも必要でなく、 電極層 4を、 真空蒸着法、 スパッタ リ ング法、 有機 金属ィ匕'子 5¾や-目成: K法 (metai-organic chemical vapor deposition： M OCVD)、 有機金属分解法 (metal - organic decomposition： MO D) ゃゾル ·ゲル法などの液相法 （C S D法） などの他の薄膜形成法 を用いて、 形成することもできる。
また、 前記実施態様においては、 積層体ュニッ ト 1は、 電極層 4上 に、 ビスマス層状化合物の化学量論的組成式において、 222=4、 A 3 =B i 2 + S rとした化学量論的組成式： S r B i 4T i 40， εで表わ される組成を有するビスマス層状化合物を含む誘電体材料によって形 成された誘電体層 5を備えているが、 電極層 4上に、 ビスマス層状化 合物の化学量論的組成式において、 m= 4、 3=B i 2 + S rとした 化学量論的組成式： S r B i 4T i 4015で表わされる組成を有するビ スマス層状化合物を含む誘電体材料によって、 誘電体層 5を形成する ことは必ずしも必要でなく、 mが 4以外のビスマス層状化合物を含む 誘電体材料によって、 誘電体層 5を形成することもでき、 さらに、 構 成元素を異にする.他のビスマス層状化合物を含む誘電体材料によって、 誘電体層 5を形成することもできる。
さらに、 前記実施態様においては、 積層体ユニット 1の誘電体層 5 は、 有機金属分角军法 (metal - organic decomposition： MOD) に よって形成されているが、 誘電体層 5を、 有機金属分解法によって形 成することは必ずしも必要でなく、 真空蒸着法、 スパッタリング法、 パルス レーザー蒸着法 （P LD)、 有機金属化学気相成長法 （metal- organic chemical vapor deposition： MOCVD)、 ンノレ *グノレ Y去 ど の他の液相法 （C SD法） などの他の薄膜形成法によって、 誘電体層 5を形成することもできる。
また、 前記実施態様においては、 積層体ユニッ ト 1は、 薄膜コンデ ンサの構成部品として、 用いられているが、 積層体ユニット 1は、 薄 膜コンデンサの構成部品としてだけでなく、 無機 E L素子を発光させ るための積層体ユニットとして用いることもできる。 すなわち、 無機 E L素子を発光させるためには、電極層 4と、無機 E L素子との間に、 絶縁層が必要であるが、 c軸配向性が向上されたビスマス層状化合物 を含む誘電体材料よりなる誘電体層 5は高い絶縁性を有しており、 し たがって、 誘電体層 5上に、 無機 E L素子を配置するとともに、 無機 E L素子上に、 別の電極を配置し、 無機 E L素子に電圧を加えること によって、 無機 E L素子を、 所望のように、 発光させることが可能に なる。
本発明によれば、 電界効果型トランジスタ （F E T) や C P U (Central Processing Unit) などの他のデバイスとともに、 半導体ゥ ヱハに組み込むのに適した小型で、 かつ、 大容量の誘電特性に優れた 薄膜コンデンサを構成することができる電極層および誘電体層を含む 積層体ュ-ッ トを提供することが可能になる。

Claims

請求の範囲
1. 半導体ゥヱハ上に、 パリア層と、 異方性おょぴ導電性を有し、 か つ、 その上で、 ビスマス層状化合物を含む誘電体材料をェピタキシ ャル成長させることができる材料により、形成され、 [0 0 1]方位 に配向された電極層と、 前記電極層上で、 ビスマス層状化合物を含 む誘電体材料をェピタキシャル成長させて、形成され、 [0 0 1 ]方 位に配向されたビスマス層状化合物を含む誘電体材料よりなる誘電 体層とが、 この順に、積層されたことを特徴とする積層体ュニット。
2. 前記支持基板が、 シリ コン単結晶によって形成され、 前記バリア 層が、 酸化シリコンによって形成されたことを特徴とする請求の範 囲第 1項に記載の積層体ュニット。
3. 前記電極層が、 酸化物超伝導体によって形成されていることを特 徴とする請求の範囲第 1項に記載の積層体ュニット。
4. 前記電極層が、 酸化物超伝導体によって形成されていることを特 徴とする請求の範囲第 2項に記載の積層体ュニッ ト。
5. 前記電極層が、 C u O 2面を有する銅酸化物超伝導体によって形 成されていることを特徴とする請求の範囲第 3項に記載の積層体ュ ニット。
6. 前記電極層が、 C u O2面を有する銅酸化物超伝導体によって形 成されていることを特徴とする請求の範囲第 4項に記載の積層体ュ ニット。
7. 前記電極層が、 化学量論的組成式： B i s S r zC a n^i C U nOs η + で表わされる B S C CO (ビスマス ' ス ト口ンチウム · カルシ ゥム · カッパ一 .ォキサイ ド） および化学量論的組成式： YB a 2 C u 3Ο7- δで表わされる YB CO (イットリウム ' ビスマス '力 ッパー ·ォキサイ ド） よりなる群から選ばれた C u 02面を有する 銅酸化物超伝導体によって形成されていることを特徴とする請求の 範囲第 5項に記載の積層体ユニット。
8. 前記電極層が、 化学量論的組成式： B i 2 S r 2C a n— i C U nOs n + 4で表わされる B S C CO (ビスマス · ス トロンチウム 'カルシ ゥム '力ッパー ·ォキサイ ド） および化学量論的組成式： YB a 2 C u a O 7 - δで表わされる Y B C Ο (イットリウム ' ビスマス '力 ッパー ·オキサイ ド） よりなる群から選ばれた C u 02面を有する 銅酸化.物超伝導体によって形成されていることを特徴とする請求の 範囲第 6項に記載の積層体ュニット。
9. 前記誘電体層が、 化学量論的組成式：（B i 202) 2+ {Am_x Bm 03m+ 1) 2—、 あるいは、 B i 2Am— ^m03la+3で表わされる組成 を有するビスマス層状化合物 （記号 は正の整数であり、 記号^ は、 ナトリ ウム （N a)、 カリウム （K)、 鉛 （P b)、 バリウム （B a )、 ス ト口ンチウム ( S r )、 カルシウム (C a ) およびビスマス (B i ) からなる群より選ばれる少なくとも 1つの元素であり、 記号 は、 鉄 （F e)、 コバルト （C o)、 クロム （C r )、 ガリ ウム （G a)、 チタン （T i )、 ニオブ （N b)、 タンタル （T a )、 アンチモン （S b)、 マンガン （Mn)、 バナジウム （V)、 モリブデン （Mo) およ びタングステン （W) からなる群より選ばれる少なく とも 1つの元 素である。 記号^ および/または 5を 2つ以上の元素で構成する場 合、それらの比率は任意である。） を含んでいることを特徴とする請 求の範囲第 1項に記載の積層体ュニット。
10. 前記誘電体層が、 化学量論的組成式：（B i 202) 2+ Am_^ Bm 03 + 1) 、 あるいは、 B i 24^— m03m+3で表わされる組成 を有するビスマス層状化合物 （記号 inは正の整数であり、 記号 Aは, ナトリウム （N a)、 カリウム （K)、 鉛 （P b)、 バリウム （B a)、 ス トロンチウム （S r )、 力^/シゥム （C a) およびビスマス （B i ) からなる群より選ばれる少なく とも 1つの元素であり、 記号 ^は、 鉄 （F e；)、 コバルト （C o)、 クロム （C r )、 ガリ ウム （G a チタン （T i )、 ニオブ （N b)、 タンタル (T a )、 アンチモン ( S b)、 マンガン （Mn)、 バナジウム （V)、 モリブデン （Mo) およ ぴタングステン （W) からなる群より選ばれる少なく とも 1つの元 素である。 記号^ および/または を 2つ以上の元素で構成する場 合、それらの比率は任意である。） を含んでいることを特徴とする請 求の範囲第 2項に記載の積層体ュニット。
11. 前記誘電体層が、 化学量論的組成式： （B i 202 (Am_xBm 03m+ 1) 2—、 あるいは、 B i
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で表わされる組成 を有するビスマス層状化合物 （記号 inは正の整数であり、 記号 Aは、 ナトリウム （N a)、 カリウム （K)、 鉛 （P b)、 バリウム （B a ストロンチウム （S r )、 カルシウム （C a) およびビスマス （B i ) からなる群より選ばれる少なく とも 1つの元素であり、 記号 は、 鉄 （F e )、 コバルト （C o)、 クロム （C r)、 ガリウム （G a チタン （T i )、 ニオブ （N b)、 タンタル （T a)、 アンチモン （S b)、 マンガン （Mn)、 バナジウム （V)、 モリブデン （Mo) およ びタングステン （W) からなる群より選ばれる少なく とも 1つの元 素である。 記号 Aおよび Zまたは を 2つ以上の元素で構成する場 合、それらの比率は任意である。） を含んでいることを特徴とする請 求の範囲第 3項に記載の積層体ュニット。
12. 前記誘電体層が、 化学量論的組成式： （B i 202 Am_xBm 03m+ 1) 2—、 あるいは、 B i 2^ m— i mO3m+3で表わされる組成 を有するビスマス層状化合物 （記号/ πは正の整数であり、 記号^ は、 ナトリウム （N a )、 カリウム （K)、 鉛 （P b リウム （B a ストロンチウム （S r )、 カルシウム （C a) およびビスマス （B i ) からなる群より選ばれる少なく とも 1つの元素であり、 記号^は、 鉄 （F e)、 コバルト （C o)、 クロム （C r)、 ガリ ウム （G a)、 チタン （T i )、 ニオブ （N b)、 タンタル （T a )、 アンチモン （S b)、 マンガン （Mn)、 バナジウム （V)、 モリブデン （Mo) およ ぴタングステン （W) からなる群より選ばれる少なくとも 1つの元 素である。 記号^!および Zまたは を 2つ以上の元素で構成する場 合、それらの比率は任意である。） を含んでいることを特徴とする請 求の範囲第 4項に記載の積層体ュニッ ト。
13. 前記誘電体層が、 化学量論的組成式： （B i 202) 2+ {Am_xBm 3m+1) 2—、 あるいは、 B i 2 ^ m03m+3で表わされる組成 を有するビスマス層状化合物 （記号 nは正の整数であり、 記号 Aは、 ナトリウム （N a)、 カリ ウム （K)、 鉛 (P b )、 バリウム (B a )、 ス ト口ンチウム （S r )、 カノレシゥム （C a ) およびビスマス （B i ) からなる群より選ばれる少なく とも 1つの元素であり、 記号^は、 鉄 （F e )、 コバルト （C o)、 クロム （C r )、 ガリ ウム （G a)、 チタン (T i )、 ニオブ （Nb)、 タンタル (T a )、 アンチモン ( S b)、 マンガン （Mn)、 バナジウム （V)、 モリブデン （Μο') およ びタングステン （W) からなる群より選ばれる少なく とも 1つの元 素である。 記号^ 4および Ζまたは^を 2つ以上の元素で構成する場 合、それらの比率は任意である。） を含んでいることを特徴とする請 求の範囲第 5項に記載の積層体ュニット。
14. 前記誘電体層が、 化学量論的組成式： （B i 2O2) 2+ Am_xBm
〇3m+1) 2—、 あるいは、 B i 24 で表わされる組成 を有するビスマス層状化合物 （記号 inは正の整数であり、 記号^ は, ナトリウム （N a )、 カリウム （K)、 鉛 （P b )、 バリウム （B a )、 ス ト口ンチウム （ S r )、 カルシウム (C a ) およびビスマス （B i ) からなる群より選ばれる少なく とも 1つの元素であり、 記号 は、 鉄 （F e )、 コバルト （C o)、 クロム （C r )、 ガリ ウム （G a )、 チタン （T i )、 ニオブ （N b)、 タンタル （T a )、 アンチモン （ S b)、 マンガン （Mn)、 バナジウム （V)、 モリブデン （Mo ) およ ぴタングステン （W) からなる群より選ばれる少なく とも 1つの元 素である。 記号 _Λおよび Zまたは を 2つ以上の元素で構成する場 合、 それらの比率は任意である。） を含んでいることを特徴とする請 求の範囲第 6項に記載の積層体ュニッ ト。
15. 前記誘電体層が、 化学量論的組成式： （B i 202) 2+ (Am_1 Bm 03m+ 1) 2—、 あるいは、 B i 2 Am― i Hm03m+ 3で表わされる組成 を有するビスマス層状化合物 （記号 Hは正の整数であり、 '記号^ は、 ナトリ ウム （N a)、 カリウム （K)、 鉛 （P b)、 バリ ウム （B a；)、 ストロンチウム ( s r )、 カルシウム (C a ) およびビスマス (B i ) からなる群より選ばれる少なく とも 1つの元素であり、 記号 は、 鉄 （F e)、 コバルト （C o)、 クロム （C r )、 ガリ ウム （G a )、 チタン （T i )、 ニオブ （N b)、 タンタル （T a )、 アンチモン （S b)、 マンガン （Mn)、 バナジウム （V)、 モリブデン （M o ) およ ぴタングステン (W) からなる群より選ばれる少なく とも 1つの元 素である。 記号^ および/または ·5を 2つ以上の元素で構成する場 合、 それらの比率は任意である。） を含んでいることを特徴とする請 求の範囲第 7項に記載の積層体ュニッ ト。
16. 前記誘電体層が、 化学量論的組成式： （B i 202) 2 + (Am_1 Bm 03m+ 1) 2_、 あるいは、 B i 2 ^」 ^0^+ 3で表わされる組成 を有するビスァス層状化合物 （記号/ πは正の整数であり、 記号 Aは、 ナトリ ウム （N a)、 カリ ウム （K)、 鉛 （P b)、 ノ リ ウム （B a )、 ス トロンチウム （S r )、 カルシウム （C a ) およびビスマス （B i ) からなる群より選ばれる少なく とも 1つの元素であり、 記号 5は、 鉄 （F e：)、 コバルト （C o)、 クロム （C r )、 ガリ ウム （G a )、 チタン （T i )、 ニオブ （N b)、 タンタル （T a )、 アンチモン （S b )、 マンガン （M n )、 バナジウム （V )、 モリブデン （M o ) およ ぴタングステン （W) からなる群より選ばれる少なくとも 1つの元 素である。 記号^ および/または 5を 2つ以上の元素で構成する場 合、それらの比率は任意である。） を含んでいることを特徴とする請 求の範囲第 8項に記載の積層体ュニッ ト。
17. 前記誘電体層が、 真空蒸着法、 スパッタリング法、 パルスレーザ 一蒸着法、 有機金属化学気相成長法および有機金属分解法を含む液 相法よりなる群から選ばれた薄膜形成法によって形成されたことを 特徴とする請求の範囲第 9項に記載の積層体ュニット。
18. 前記誘電体層が、 真空蒸着法、 スパッタ リ ング法、 パルスレーザ 一蒸着法、 有機金属化学気相成長法および有機金属分解法を含む液 相法よりなる群から選ばれた薄膜形成法によって形成されたことを 特徴とする請求の範囲第 10項に記載の積層体ュニッ ト。
19. 前記誘電体層が、 真空蒸着法、 スパッタ リ ング法、 パルスレーザ 一蒸着法、 有機金属化学気相成長法および有機金属分解法を含む液 相法よりなる群から選ばれた薄膜形成法によって形成されたことを 特徴とする請求の範囲第 11に記載の積詹体ュニット。
20. 前記誘電体層が、 真空蒸着法、 スパッタリング法、 パルスレーザ 一蒸着法、 有機金属化学気相成長法および有機金属分解法を含む液 相法よりなる群から選ばれた薄膜形成法によつて形成されたことを 特徴とする請求の範囲第 12項に記載の積層体ュニット。
21. 前記誘電体層が、 真空蒸着法、 スパッタリング法、 パルスレーザ 一蒸着法、 有機金属化学気相成長法および有機金属分解法を含む液 相法よりなる群から選ばれた薄膜形成法によって形成されたことを 特徴とする請求の範囲第 13項に記載の積層体ュニット。
22. 前記誘電体層が、 真空蒸着法、 スパッタ リ ング法、 パルスレーザ 一蒸着法、' 有機金属化学気相成長法および有機金属分解法を含む液 相法よりなる群から選ばれた薄膜形成法によって形成されたことを 特徴とする請求の範囲第 14項に記載の積層体ュニッ ト。
23. 前記誘電体層が、 真空蒸着法、 スパッタ リ ング法、 パルスレーザ 一蒸着法、 有機金属化学気相成長法および有機金属分解法を含む液 相法よりなる群から選ばれた薄膜形成法によって形成されたことを 特徴とする請求の範囲第 15項に記載の積層体ュニッ ト。
24. 前記誘電体層が、 真空蒸着法、 スパッタ リ ング法、 パルスレーザ 一蒸着法、 有機金属化学気相成長法および有機金属分解法を含む液 相法よりなる群から選ばれた薄膜形成法によって形成されたことを 特徴とする請求の範囲第 16項に記載の積層体ュニッ ト。
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