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技術 固体電子装置

出願人 国立研究開発法人科学技術振興機構
発明者 下田達也徳光永輔尾上允敏宮迫毅明
出願日 2012年10月25日 (8年3ヶ月経過) 出願番号 2012-551404
公開日 2015年4月2日 (5年10ヶ月経過) 公開番号 WO2013-069470
状態 特許登録済
技術分野 固定コンデンサ及びコンデンサ製造装置 半導体集積回路 絶縁膜の形成 半導体メモリ
主要キーワード 固体電子装置 型押し面 測定下限値 酸化熱分解 予備焼成温度 パイロクロア型結晶構造 オクチル酸ニオブ インジウムイソプロポキシド
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題・解決手段

本発明の1つの固体電子装置は、ビスマス(Bi)を含む前駆体及びニオブ(Nb)を含む前駆体を溶質とする前駆体溶液出発材とする前駆体層を、酸素含有雰囲気中において加熱することにより形成される、そのビスマス(Bi)とそのニオブ(Nb)からなる酸化物層不可避不純物を含み得る)を備え、その酸化物層を形成するための加熱温度が、520℃以上650℃以下である。

概要

背景

従来から、固体電子装置の一例である薄膜キャパシタにおいては、高速動作の期待できる強誘電体薄膜を備えた薄膜キャパシタが開発されている。キャパシタに用いる誘電体材料としては、金属酸化物が現在盛んに検討されており、上記の強誘電体膜形成方法としては、スパッタリング法が広く用いられている(特許文献1)。

概要

本発明の1つの固体電子装置は、ビスマス(Bi)を含む前駆体及びニオブ(Nb)を含む前駆体を溶質とする前駆体溶液出発材とする前駆体層を、酸素含有雰囲気中において加熱することにより形成される、そのビスマス(Bi)とそのニオブ(Nb)からなる酸化物層不可避不純物を含み得る)を備え、その酸化物層を形成するための加熱温度が、520℃以上650℃以下である。

目的

第6の態様に係る固体電子装置によれば、工業性ないし量産性に優れたキャパシタを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

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請求項1

ビスマス(Bi)を含む前駆体及びニオブ(Nb)を含む前駆体を溶質とする前駆体溶液出発材とする前駆体層を、酸素含有雰囲気中において加熱することにより形成される、前記ビスマス(Bi)と前記ニオブ(Nb)からなる酸化物層不可避不純物を含み得る)を備え、前記酸化物層を形成するための加熱温度が、520℃以上650℃以下である、固体電子装置

請求項2

前記酸化物層は、炭素含有率が1.5atm%以下である、請求項1に記載の固体電子装置。

請求項3

前記酸化物層を形成する前に、酸素含有雰囲気中において80℃以上300℃以下で前記前駆体層を加熱した状態で型押し加工を施すことによって、前記前駆体層の型押し構造が形成されている、請求項1又は請求項2に記載の固体電子装置。

請求項4

1MPa以上20MPa以下の範囲内の圧力で前記型押し加工を施す、請求項3に記載の固体電子装置。

請求項5

予め、80℃以上300℃以下の範囲内の温度に加熱した型を用いて前記型押し加工を施す、請求項3又は請求項4に記載の固体電子装置。

請求項6

前記固体電子装置が、キャパシタである、請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の固体電子装置。

請求項7

前記固体電子装置が、半導体装置である、請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の固体電子装置。

請求項8

前記固体電子装置がMEMSデバイスである、請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の固体電子装置。

技術分野

0001

本発明は、固体電子装置に関する。

背景技術

0002

従来から、固体電子装置の一例である薄膜キャパシタにおいては、高速動作の期待できる強誘電体薄膜を備えた薄膜キャパシタが開発されている。キャパシタに用いる誘電体材料としては、金属酸化物が現在盛んに検討されており、上記の強誘電体膜形成方法としては、スパッタリング法が広く用いられている(特許文献1)。

先行技術

0003

特開平10−173140号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、スパッタ法においては良好な膜質を得るために、一般には製膜室内高真空状態する必要がある。また、その他の真空プロセスフォトリソグラフィー法においても、比較的長時間、及び/又は高価な設備を要するプロセスが一般的であるため、原材料製造エネルギー使用効率が非常に悪くなる。上述のような製造方法が採用された場合、固体電子装置を製造するために多くの処理と長時間を要するため、工業性ないし量産性の観点から好ましくない。また、従来技術には、大面積化が比較的困難であるという問題も存在する。

0005

従って、工業性ないし量産性に優れた製造方法によって得られる、固体電子装置の絶縁層としての高い特性を有する材料を選定することも、固体電子装置の高性能化のために解決すべき技術課題の1つである。

0006

本発明は、上述の問題を解決することにより、固体電子装置の製造プロセスの簡素化と省エネルギー化を実現する。その結果、本発明は、工業性ないし量産性に優れた固体電子装置の提供に大きく貢献するものである。

課題を解決するための手段

0007

本願発明者らは、キャパシタや薄膜キャパシタ等の固体電子装置に適用することができるとともに、安価で簡便な手法を用いても形成することができる酸化物の研究に鋭意取り組んだ。多くの試行錯誤を重ねた結果、発明者らは、従来から広く採用されてきた酸化物に代わるある特定の酸化物材料が、比較的廉価であるとともに製造工程がより簡易となり、比較的高い絶縁性比誘電率を備えていること、及び、その酸化物が固体電子装置にも適用が可能であることを知見した。加えて、発明者らは、その酸化物は、「ナノインプリント」とも呼ばれる「型押し」加工法を用いた安価で簡便な手法によってパターニングの形成をすることが可能であることも併せて見出した。その結果、発明者らは、従来と比較して大幅に簡素化ないし省エネルギー化が可能であるとともに大面積化も容易なプロセスによって、その酸化物層の形成、ひいてはそれらの酸化物層を備えた固体電子装置の製造が可能であることを知見した。本発明は上述の視点に基づいて創出された。

0008

第1の態様に係る固体電子装置は、ビスマス(Bi)を含む前駆体及びニオブ(Nb)を含む前駆体を溶質とする前駆体溶液出発材とする前駆体層を、酸素含有雰囲気中において加熱することにより形成される、前記ビスマス(Bi)と前記ニオブ(Nb)からなる酸化物層(不可避不純物を含み得る)を備え、前記酸化物層を形成するための加熱温度が、520℃以上650℃以下である。

0009

第2の態様に係る固体電子装置は、前記酸化物層は、炭素含有率が1.5atm%以下である。

0010

第3の態様に係る固体電子装置は、酸化物層を形成する前に、酸素含有雰囲気中において80℃以上300℃以下で前駆体層を加熱した状態で型押し加工を施すことによって、前駆体層の型押し構造が形成される。

0011

第4の態様に係る固体電子装置は、型押し加工が1MPa以上20MPa以下の範囲内の圧力で施される。

0012

第5の態様に係る固体電子装置は、予め、80℃以上300℃以下の範囲内の温度に加熱した型を用いて型押し加工が施される。

0013

第6の態様に係る固体電子装置は、キャパシタである。

0014

第7の態様に係る固体電子装置は、半導体装置である。

0015

第8の態様に係る固体電子装置は、MEMSデバイスである。

発明の効果

0016

第1の態様に係る固体電子装置によれば、フォトリソグラフィー法を用いない比較的簡素な処理(例えば、インクジェット法スクリーン印刷法凹版凸版印刷法、又はナノインプリント法)によって酸化物層が形成され得る。これにより、真空プロセスやフォトリソグラフィー法を用いたプロセス、あるいは紫外線照射プロセス等、比較的長時間、及び/又は高価な設備を必要とするプロセスが不要になる。また、前述の各プロセスを要せずに、比較的低温加熱処理によって酸化物層が形成されるため、工業性ないし量産性に優れる。

0017

第2の態様に係る固体電子装置によれば、リーク電流の低減を図ることができる。

0018

第3の態様に係る固体電子装置によれば、型押し加工を施している間に、各前駆体層塑性変形能力が低下することを確度高く防止することができるため、所望の型押し構造を一層高い精度で形成することが可能となる。

0019

第4の態様に係る固体電子装置によれば、所望の型押し構造を高い精度で形成することが可能となる。また、型押し加工が施される際に印加する圧力が、1MPa以上20MPa以下という低い圧力範囲であるため、型押し加工が施される際に型が損傷し難くなるとともに、大面積化にも有利となる。

0020

第6の態様に係る固体電子装置によれば、工業性ないし量産性に優れたキャパシタを提供することが可能となる。

0021

第7の態様に係る固体電子装置によれば、工業性ないし量産性に優れた半導体装置を提供することが可能となる。

0022

第8の態様に係る固体電子装置によれば、工業性ないし量産性に優れたMEMSデバイスを提供することが可能となる。

図面の簡単な説明

0023

本発明の第1の実施形態における固体電子装置の一例である薄膜キャパシタの全体構成を示す図である。
本発明の第1の実施形態における薄膜キャパシタの製造方法の一過程を示す断面模式図である。
本発明の第1の実施形態における薄膜キャパシタの製造方法の一過程を示す断面模式図である。
本発明の第1の実施形態における薄膜キャパシタの製造方法の一過程を示す断面模式図である。
本発明の第1の実施形態における薄膜キャパシタの製造方法の一過程を示す断面模式図である。
本発明の第2の実施形態における薄膜キャパシタの製造方法の一過程を示す断面模式図である。
本発明の第2の実施形態における薄膜キャパシタの製造方法の一過程を示す断面模式図である。
本発明の第2の実施形態における薄膜キャパシタの製造方法の一過程を示す断面模式図である。
本発明の第2の実施形態における薄膜キャパシタの製造方法の一過程を示す断面模式図である。
本発明の第2の実施形態における固体電子装置の一例である薄膜キャパシタの全体構成を示す図である。
本発明の第3の実施形態における固体電子装置の一例である薄膜キャパシタの全体構成を示す図である。
本発明の第3の実施形態における薄膜キャパシタの製造方法の一過程を示す断面模式図である。
本発明の第3の実施形態における薄膜キャパシタの製造方法の一過程を示す断面模式図である。
本発明の第3の実施形態における薄膜キャパシタの製造方法の一過程を示す断面模式図である。
本発明の第3の実施形態における薄膜キャパシタの製造方法の一過程を示す断面模式図である。
本発明の第3の実施形態における薄膜キャパシタの製造方法の一過程を示す断面模式図である。
本発明の第3の実施形態における薄膜キャパシタの製造方法の一過程を示す断面模式図である。
本発明の第3の実施形態における薄膜キャパシタの製造方法の一過程を示す断面模式図である。
本発明の第3の実施形態における薄膜キャパシタの製造方法の一過程を示す断面模式図である。
本発明の第3の実施形態における薄膜キャパシタの製造方法の一過程を示す断面模式図である。
本発明の第3の実施形態における薄膜キャパシタの製造方法の一過程を示す断面模式図である。
本発明の第4の実施形態における薄膜キャパシタの製造方法の一過程を示す断面模式図である。
本発明の第4の実施形態における薄膜キャパシタの製造方法の一過程を示す断面模式図である。
本発明の第4の実施形態における薄膜キャパシタの製造方法の一過程を示す断面模式図である。
本発明の第4の実施形態における固体電子装置の一例である薄膜キャパシタの全体構成を示す図である。
本発明の第1の実施形態における絶縁層となる酸化物層の結晶構造を示す断面TEM写真及び電子線回析像である。
比較例における絶縁層となる酸化物層の結晶構造を示す断面TEM写真及び電子線回析像である。

0024

10基板
20,220,320.420 下部電極
220a,320a,420a 下部電極層用前駆体層
30,230,330.430酸化物層
30a,230a,330a.430a 酸化物層用前駆体層
40,240,340.440 上部電極層
240a,340a,440a 上部電極層用前駆体層
100,200,300,400固体電子装置の一例である薄層キャパシタ
M1 下部電極層用型
M2絶縁層用
M3 上部電極層用型
M4積層体用型

実施例

0025

本発明の実施形態である固体電子装置を、添付する図面に基づいて詳細に述べる。なお、この説明に際し、全図にわたり、特に言及がない限り、共通する部分には共通する参照符号が付されている。また、図中、本実施形態の要素は必ずしも互いの縮尺を保って記載されるものではない。さらに、各図面を見やすくするために、一部の符号が省略され得る。

0026

<第1実施形態>
1.本実施形態の薄膜キャパシタの全体構成
図1は、本実施形態における固体電子装置の一例である薄膜キャパシタ100の全体構成を示す図である。図1に示すように、薄膜キャパシタ100は、基板10上に、基板10の側から下部電極層20、誘電体から構成される絶縁層である酸化物層30及び上部電極層40を備える。

0027

基板10は、例えば、高耐熱ガラス、SiO2/Si基板アルミナ(Al2O3)基板、STO(SrTiO)基板、Si基板の表面にSiO2層及びTi層を介してSTO(SrTiO)層を形成した絶縁性基板等)、半導体基板(例えば、Si基板、SiC基板Ge基板等)を含む、種々の絶縁性基材を用いることができる。

0028

下部電極層20及び上部電極層40の材料としては、白金、金、銀、銅、アルミモリブデンパラジウムルテニウムイリジウムタングステン、などの高融点金属、あるいはその合金等の金属材料が用いられる。

0029

本実施形態においては、誘電体から構成される絶縁層が、ビスマス(Bi)を含む前駆体及びニオブ(Nb)を含む前駆体を溶質とする前駆体溶液を出発材とする前駆体層を、酸素含有雰囲気中において加熱することにより形成される(以下、本工程による製造方法を溶液法ともいう)。そして、ビスマス(Bi)とニオブ(Nb)からなる(不可避不純物を含み得る)構成される酸化物層30が得られる。また、後述するように、本実施形態は、酸化物層を形成するための加熱温度(本焼成の温度)を、520℃以上650℃以下とすることを特徴とするものである。なお、ビスマス(Bi)とニオブ(Nb)とからなる酸化物層は、BNO層とも呼ばれる。

0030

なお、本実施形態はこの構造に限定されない。また、図面を簡略化するため、各電極層からの引き出し電極層のパターニングについての記載は省略する。

0031

2.薄膜キャパシタ100の製造方法
次に薄膜キャパシタ100の製造方法を説明する。なお、本出願における温度の表示は、ヒーター設定温度を表している。図2乃至図5は、それぞれ、薄膜キャパシタ100の製造方法の一過程を示す断面模式図である。図2に示すように、まず、基板10上に下部電極層20が形成される。次に、下部電極層20上に酸化物層30が形成されて、その後、酸化物層30上に上部電極層40が形成される。

0032

(1)下部電極層の形成
図2は、下部電極層20の形成工程を示す図である。本実施形態においては、薄膜キャパシタ100の下部電極層20が、白金(Pt)によって形成される例を説明する。下部電極層20は、公知のスパッタリング法により基板10上に白金(Pt)よりなる層が形成される。

0033

(2)絶縁層としての酸化物層の形成
次に、下部電極層20上に酸化物層30が形成される。酸化物層30は、(a)前駆体層の形成及び予備焼成の工程、(b)本焼成の工程の順で形成される。図3及び図4は、酸化物層30の形成工程を示す図である。本実施形態においては、薄膜キャパシタ100の製造工程の酸化物層30が、ビスマス(Bi)とニオブ(Nb)とからなる酸化物よって形成される例を説明する。

0034

(a)前駆体層の形成及び予備焼成
図3に示すように、下部電極層20上に、公知のスピンコーティング法により、ビスマス(Bi)を含む前駆体及びニオブ(Nb)を含む前駆体を溶質とする前駆体溶液(前駆体溶液という。以下、前駆体の溶液に対して同じ。)を出発材とする前駆体層30aが形成される。ここで、酸化物層30のためのビスマス(Bi)を含む前駆体の例は、オクチル酸ビスマス塩化ビスマス硝酸ビスマス、又は各種のビスマスアルコキシド(例えば、ビスマスイソプロポキシド、ビスマスブトキシド、ビスマスエトキシド、ビスマスメトキシエトキシド)が採用され得る。また、本実施形態における酸化物層30のためのニオブ(Nb)を含む前駆体の例は、オクチル酸ニオブ塩化ニオブ硝酸ニオブ、又は各種のニオブアルコキシド(例えば、ニオブイソプロポキシド、ニオブブトキシド、ニオブエトキシド、ニオブメトキシエトキシド)が採用され得る。また、前駆体溶液の溶媒は、エタノールプロパノールブタノール2−メトキシエタノール2−エトキシエタノール2−ブトキシエタノールの群から選択される1種のアルコール溶媒、又は酢酸プロピオン酸オクチル酸の群から選択される1種のカルボン酸である溶媒であることが好ましい。

0035

その後、予備焼成として、酸素雰囲気中又は大気中(総称して、「酸素含有雰囲気中」ともいう。)で所定の時間、80℃以上250℃以下の温度範囲で予備焼成を行う。予備焼成では、前駆体層30a中の溶媒を十分に蒸発させるとともに、将来的な塑性変形を可能にする特性を発現させるために好ましいゲル状態熱分解前であって有機鎖が残存している状態と考えられる)が形成される。前述の観点をより確度高く実現するために、予備焼成温度は、80℃以上250℃以下が好ましい。また、前述のスピンコーティング法による前駆体層30aの形成及び予備焼成を複数回繰り返すことによって、酸化物層30の所望の厚みを得ることができる。

0036

(b)本焼成
その後、本焼成として、前駆体層30aを、酸素雰囲気中(例えば100体積%であるが、これに限定されない)で、所定の時間、520℃以上650℃以下の範囲の温度で加熱する。その結果、図4に示すように、電極層上に、ビスマス(Bi)とニオブ(Nb)とからなる酸化物層30(不可避不純物を含み得る。以下、同じ。)が形成される。ここで、溶液法における本焼成として、酸化物層を形成するための加熱温度は、520℃以上650℃以下であるが、上限を限定するものではない。しかし、加熱温度が、650℃を超える場合は、酸化物層の結晶化が進み、リーク電流量が顕著に増大してしまう傾向にある点から、加熱温度を650℃以下とすることがより好ましい。一方、加熱温度が、520℃未満の場合は、前駆体溶液の溶媒及び溶質中の炭素が残存し、リーク電流量が顕著に増大してしまうので、加熱温度は、520℃以上650℃以下とすることが好ましい。

0037

また、酸化物層30の膜厚の範囲は30nm以上が好ましい。酸化物層30の膜厚が30nm未満になると、膜厚の減少に伴うリーク電流及び誘電損失の増大により、固体電子装置に適用するには、実用的ではなくなるため好ましくない。

0038

なお、酸化物層30におけるビスマス(Bi)及びニオブ(Nb)の原子組成比と、1KHzにおける比誘電率並びに0.5MV/cm印加時のリーク電流値の関係について測定した結果を表1に示す。

0039

0040

ビスマス(Bi)及びニオブ(Nb)の原子組成比については、ラザフォード後方散乱分光法(RBS法)を用いて、ビスマス(Bi)及びニオブ(Nb)の元素分析を行い、ビスマス(Bi)及びニオブ(Nb)の原子組成比を求めた。比誘電率並びにリーク電流値の測定方法の詳細については後述しているが、表1については、1KHzの交流電圧印加時の比誘電率と、0.5MV/cmの電圧印加時のリーク電流値の結果を示している。表1に示すように、酸化物層30におけるビスマス(Bi)及びニオブ(Nb)の原子組成比については、(Bi)が1としたときにニオブ(Nb)が0.8以上3.3以下の範囲内においては、比誘電率並びにリーク電流値は、デバイスとして適用可能な値を示していた。

0041

(3)上部電極層の形成
次に、酸化物層30上に上部電極層40が形成される。図5は、上部電極層40の形成工程を示す図である。本実施形態においては、薄膜キャパシタ100の上部電極層40が、白金(Pt)によって形成される例を説明する。上部電極層40は、下部電極層20と同様、公知のスパッタリング法により酸化物層30上に白金(Pt)よりなる層が形成される。

0042

本実施形態によれば、ビスマス(Bi)を含む前駆体及びニオブ(Nb)を含む前駆体を溶質とする前駆体溶液を出発材とする前駆体層を、酸素含有雰囲気中において加熱することにより形成される、ビスマス(Bi)とニオブ(Nb)からなる酸化物層を備え、酸化物層を形成するための加熱温度が、520℃以上650℃以下とする。これにより、良好な電気特性が得られるとともに、真空プロセスを用いることなく酸化物層の前駆体溶液を酸素含有雰囲気中で加熱すればよいため、従来のスパッタ法と比較して大面積化が容易になるとともに、工業性ないし量産性を格段に高めることが可能となる。

0043

<第2実施形態>
1.本実施形態の薄膜キャパシタの全体構成
本実施形態においては、固体電子装置の一例である薄膜キャパシタの下部電極層及び上部電極層が、金属酸化物からなる導電性酸化物(不可避不純物を含みうる)で構成されている。本実施形態における固体電子装置の一例である薄膜キャパシタ200の全体構成は、図10に示されている。本実施形態は、下部電極層及び上部電極層が、金属酸化物からなる導電性酸化物で構成されている以外は第1実施形態と同じである。従って、本実施の形態の構成については、前述の図1と対応する構成には同一の参照符号を付して説明を省略し、異なる構成について説明する。図10に示すように、薄膜キャパシタ200は、基板10を有し、基板10上に、基板10の側から下部電極層220、誘電体から構成される絶縁層である酸化物層30、上部電極層240を備える。

0044

下部電極層220及び上部電極層240の例としては、ランタン(La)とニッケル(Ni)とからなる酸化物層、アンチモン(Sb)と錫(Sn)とからなる酸化物層、インジウム(In)と錫(Sn)とからなる酸化物層(但し、不可避不純物を含み得る。以下、同じ。)を採用することができる。

0045

2.薄膜キャパシタ200の製造工程
次に薄膜キャパシタ200の製造方法を説明する。図6乃至図9は、それぞれ、薄膜キャパシタ200の製造方法の一過程を示す断面模式図である。図6及び図7に示すようにまず、基板10上に下部電極層220が形成される。次に、下部電極層220上に酸化物層30が形成されて、その後、上部電極層240が形成される。なお、薄膜キャパシタ200の製造工程においては、第1実施形態と重複する説明は省略する。

0046

(1)下部電極層の形成
図6及び図7は、下部電極層220の形成工程を示す図である。本実施形態においては、薄膜キャパシタ200の下部電極層220が、ランタン(La)とニッケル(Ni)とからなる導電用酸化物層によって形成される例を説明する。下部電極層220は、(a)前駆体層の形成及び予備焼成の工程、(b)本焼成の工程の順で形成される。

0047

(a)前駆体層の形成及び予備焼成
図6に示すように、基板10上に、公知のスピンコーティング法により、ランタン(La)を含む前駆体及びニッケル(Ni)を含む前駆体を溶質とする前駆体溶液(下部電極層用前駆体溶液という。以下、下部電極層用前駆体の溶液に対して同じ。)を出発材とする下部電極層用前駆体層220aが形成される。ここで、下部電極層220のためのランタン(La)を含む前駆体の例は、酢酸ランタンである。その他の例として、硝酸ランタン塩化ランタン、又は各種のランタンアルコキシド(例えば、ランタンイソプロポキシド、ランタンブトキシド、ランタンエトキシド、ランタンメトキシエトキシド)が採用され得る。また、下部電極層用前駆体層220aのためのニッケル(Ni)を含む前駆体の例は、酢酸ニッケルである。その他の例として、硝酸ニッケル塩化ニッケル、又は各種のニッケルアルコキシド(例えば、ニッケルインジウムイソプロポキシド、ニッケルブトキシド、ニッケルエトキシド、ニッケルメトキシエトキシド)が採用され得る。

0048

なお、下部電極層としてアンチモン(Sb)と錫(Sn)とからなる導電用酸化物層を採用する場合、アンチモン(Sb)を含む下部電極層用前駆体の例として、酢酸アンチモン、硝酸アンチモン、塩化アンチモン、又は各種のアンチモンアルコキシド(例えば、アンチモンイソプロポキシド、アンチモンブトキシド、アンチモンエトキシド、アンチモンメトキシエトキシド)が採用され得る。また、錫(Sn)を含む前駆体の例として、酢酸錫、硝酸錫、塩化錫、又は各種の錫アルコキシド(例えば、アンチモンイソプロポキシド、アンチモンブトキシド、アンチモンエトキシド、アンチモンメトキシエトキシド)が採用され得る。さらに、下部電極層としてインジウム(In)と錫(Sn)とからなる導電用酸化物を採用する場合、インジウム(In)を含む前駆体の例は、酢酸インジウム、硝酸インジウム、塩化インジウム、又は各種のインジウムアルコキシド(例えば、インジウムイソプロポキシド、インジウムブトキシド、インジウムエトキシド、インジウムメトキシエトキシド)が採用され得る。また、錫(Sn)を含む下部電極層用前駆体の例は、前述の例と同じである。

0049

その後、酸素含有雰囲気中で所定の時間、前述の第1実形態施の酸化物層と同様の理由により、80℃以上250℃以下の温度範囲で予備焼成を行う。また、前述のスピンコーティング法による下部電極層用前駆体層220aの形成及び予備焼成を複数回繰り返すことによって、下部電極層220の所望の厚みを得ることができる。

0050

(b)本焼成
その後、本焼成として、下部電極層用前駆体層220aを、酸素雰囲気中、約20分間、550℃に加熱する。その結果、図7に示すように、基板10上に、ランタン(La)とニッケル(Ni)とからなる下部電極層220(但し、不可避不純物を含み得る。以下、同じ。)が形成される。ここで、溶液法における本焼成として、導電用酸化物層を形成するための加熱温度は、第1実施形態の酸化物層と同様の理由により、520℃以上650℃以下が好ましい。なお、ランタン(La)とニッケル(Ni)とからなるとからなる導電用酸化物層は、LNO層とも呼ばれる。

0051

(2)絶縁層としての酸化物層の形成
次に、下部電極層220上に酸化物層30を形成する。本実施形態の酸化物層30は、第1実施形態と同様、(a)前駆体層の形成及び予備焼成の工程、(b)本焼成の工程の順で形成される。図8は、下部電極層220上に酸化物層30が形成された状態を示す図である。第1実施形態と同様、酸化物層30の膜厚の範囲は30nm以上が好ましい。

0052

(3)上部電極層の形成
次に、図9及び図10に示すように、上部電極層240を酸化物層30上に形成する。本実施形態においては、薄膜キャパシタ200の上部電極層240が、下部電極層220と同様に、ランタン(La)とニッケル(Ni)とからなる導電用酸化物層によって形成される例を説明する。上部電極層240は、下部電極層220と同様、(a)前駆体層の形成及び予備焼成の工程、(b)本焼成の工程の順で形成される。酸化物層30上に形成された下部電極層用前駆体層240aが、図9に示され、酸化物層30上に形成された上部電極層240が、図10に示されている。

0053

本実施形態においても、ビスマス(Bi)を含む前駆体及びニオブ(Nb)を含む前駆体を溶質とする前駆体溶液を出発材とする前駆体層を、酸素含有雰囲気中において加熱することにより形成される、ビスマス(Bi)とニオブ(Nb)からなる酸化物層を備え、酸化物層を形成するための加熱温度が、520℃以上650℃以下とする。これにより、良好な電気特性が得られるとともに、真空プロセスを用いることなく酸化物層の前駆体溶液を酸素含有雰囲気中で加熱すればよいため、工業性ないし量産性を高めることが可能となる。また、下部電極層、絶縁層となる酸化物層、及び上部電極層すべてが金属酸化物によって構成され、真空プロセスを用いることなく全ての工程を酸素含有雰囲気中で行うことができるため、従来のスパッタ法と比較して大面積化が容易になるとともに、工業性ないし量産性を格段に高めることが可能となる。

0054

<第3実施形態>
1.本実施形態の薄膜キャパシタの全体構成
本実施形態においては、固体電子装置の一例である薄膜キャパシタの全ての層の形成過程において型押し加工が施されている。本実施形態における固体電子装置の一例である薄膜キャパシタ300の全体構成は、図11に示されている。本実施形態では、下部電極層及び酸化物層が、型押し加工を施されている以外は第2実施形態と同じである。従って、本実施の形態の構成については、前述の図10と対応する構成には同一の参照符号を付して説明を省略し、異なる構成について説明する。図11に示すように、薄膜キャパシタ300は、基板10を有し、基板10上に、基板10の側から下部電極層320、誘電体から構成される絶縁層である酸化物層330、上部電極層340を備える。

0055

ところで、本願において、「型押し」は「ナノインプリント」と呼ばれることもある。

0056

2.薄膜キャパシタ300の製造工程
次に薄膜キャパシタ300の製造方法を説明する。図12乃至図21は、それぞれ、薄膜キャパシタ300の製造方法の一過程を示す断面模式図である。薄膜キャパシタ300は、まず基板10上に型押し加工が施された下部電極層320が形成される。次に、下部電極層320上に型押し加工が施された酸化物層330が形成される。その後、酸化物層330上に上部電極層340が形成される。薄膜キャパシタ300の製造工程においても第2実施形態と重複する説明は省略する。

0057

(1)下部電極層の形成
本実施形態においては、薄膜キャパシタ300の下部電極層320が、ランタン(La)とニッケル(Ni)とからなる導電用酸化物層によって形成される例を説明する。下部電極層320は、(a)前駆体層の形成及び予備焼成の工程、(b)型押し加工の工程、(c)本焼成の工程の順で形成される。初めに、基板10上に、公知のスピンコーティング法により、ランタン(La)を含む前駆体及びニッケル(Ni)を含む前駆体を溶質とする下部電極層用前駆体溶液を出発材とする下部電極層用前駆体層320aが形成される。

0058

その後、予備焼成として、酸素含有雰囲気中で所定の時間、下部電極層用前駆体層320aを80℃以上250℃以下の温度範囲で加熱する。また、前述のスピンコーティング法による下部電極層用前駆体層320aの形成及び予備焼成を複数回繰り返すことによって、下部電極層320の所望の厚みを得ることができる。

0059

(b)型押し加工
次に、下部電極層用前駆体層320aのパターニングを行うために、図12に示すように、80℃以上300℃以下の範囲内で加熱した状態で、下部電極層用型M1を用いて、1MPa以上20MPa以下の圧力で型押し加工が施される。型押し加工における加熱方法の例としては、チャンバーオーブン等により、所定の温度雰囲気の状態にする方法、基板を搭載する基台を下部からヒーターにより加熱する方法、また、予め80℃以上300℃以下に加熱した型を用いて型押し加工が施される方法等がある。この場合、基台を下部からヒーターにより加熱する方法と予め80℃以上300℃以下に加熱した型を併用することが加工性の面でより好ましい。

0060

なお、上述の型の加熱温度を80℃以上300℃以下としたのは、以下の理由による。型押し加工時の加熱温度が80℃未満である場合には、下部電極層用前駆体層320aの温度が低下することに起因して下部電極層用前駆体層320aの塑性変形能力が低下することになるため、型押し構造の成型時の成型の実現性、又は成型後の信頼性ないし安定性が乏しくなる。また、型押し加工時の加熱温度が300℃を超える場合には、塑性変形能の根源である有機鎖の分解(酸化熱分解)が進むため、塑性変形能力が低下するからである。さらに、前述の観点から言えば、下部電極層用前駆体層320aを、型押し加工の際、100℃以上250℃以下の範囲内で加熱することは、さらに好ましい一態様である。

0061

また、型押し加工における圧力は、1MPa以上20MPa以下の範囲内の圧力であれば、下部電極層用前駆体層320aが型の表面形状に追随して変形するようになり、所望の型押し構造を高い精度で形成することが可能となる。また、型押し加工が施される際に印加する圧力を1MPa以上20MPa以下という低い圧力範囲に設定する。その結果、型押し加工が施される際に型が損傷し難くなるとともに、大面積化にも有利となる。

0062

その後、下部電極層用前駆体層320aを全面エッチングする。その結果、図13に示すように、下部電極層に対応する領域以外の領域から下部電極層用前駆体層320aを完全に除去する(下部電極層用前駆体層320aの全面に対するエッチング工程)。

0063

また、上述の型押し加工において、予め、型押し面が接触することになる各前駆体層の表面に対する離型処理及び/又はその型の型押し面に対する離型処理を施しておき、その後、各前駆体層に対して型押し加工が施されることが好ましい。そのような処理を施す。その結果、各前駆体層と型との間の摩擦力を低減することができるため、各前駆体層に対してより一層精度良く型押し加工が施されることが可能となる。なお、離型処理に用いることができる離型剤としては、界面活性剤(例えば、フッ素系界面活性剤シリコン系界面活性剤ノニオン系界面活性剤等)、フッ素含有ダイヤモンドライクカーボン等を例示することができる。

0064

(c)本焼成
次に、下部電極層用前駆体層320aに対して本焼成を行う。その結果、図14に示すように、基板10上に、ランタン(La)とニッケル(Ni)とからなる下部電極層320(但し、不可避不純物を含み得る。以下、同じ。)が形成される。

0065

(2)絶縁層となる酸化物層の形成
次に、下部電極層320上に絶縁層となる酸化物層330を形成する。酸化物層330は、(a)前駆体層の形成及び予備焼成の工程、(b)型押し加工の工程、(c)本焼成の工程の順で形成される。図15乃至図18は、酸化物層330の形成工程を示す図である。
(a)前駆体層の形成及び予備焼成
図15に示すように、基板10及びパターニングされた下部電極層320上に、第2実施形態と同様に、ビスマス(Bi)を含む前駆体及びニオブ(Nb)を含む前駆体を溶質とする前駆体溶液を出発材とする前駆体層330aを形成する。その後、酸素含有雰囲気中で、80℃以上250℃以下に加熱した状態で予備焼成を行う。

0066

(b)型押し加工
本実施形態では、図16に示すように、予備焼成のみを行った前駆体層330aに対して、型押し加工が施される。具体的には、酸化物層のパターニングを行うため、80℃以上300℃以下に加熱した状態で、絶縁層用型M2を用いて、1MPa以上20MPa以下の圧力で型押し加工が施される。

0067

その後、前駆体層330aを全面エッチングする。その結果、図17に示すように、酸化物層330に対応する領域以外の領域から前駆体層330aを完全に除去する(前駆体層330aの全面に対するエッチング工程)。なお、本実施形態の前駆体層330aのエッチング工程は、真空プロセスを用いることないウェットエッチング技術を用いて行われたが、プラズマを用いた、いわゆるドライエッチング技術によってエッチングされることを妨げない。

0068

(c)本焼成
その後、第2実施形態と同様に、前駆体層330aを本焼成する。その結果、図18に示すように、下部電極層320上に、絶縁層となる酸化物層330(但し、不可避不純物を含み得る。以下、同じ。)が形成される。本焼成として、前駆体層330aを、酸素雰囲気中で、所定時間520℃以上650℃以下の温度範囲で加熱する。

0069

なお、前駆体層330aの全面に対するエッチング工程を本焼成後に行うことも可能であるが、前述のように、型押し工程と本焼成の工程との間に、前駆体層を全体的にエッチングする工程が含まれることは、より好ましい一態様である。これは、各前駆体層を本焼成した後にエッチングするよりも容易に不要な領域を除去することが可能なためである。

0070

(3)上部電極層の形成
その後、酸化物層330上に、下部電極層320と同様に、公知のスピンコーティング法により、ランタン(La)を含む前駆体及びニッケル(Ni)を含む前駆体を溶質とする前駆体溶液を出発材とする上部電極層用前駆体層340aが形成される。その後、上部電極層用前駆体層340aに対して酸素含有雰囲気中において80℃以上250℃以下の温度範囲で加熱して予備焼成を行う。

0071

続いて、図19に示すように、予備焼成が行われた上部電極層用前駆体層340aのパターニングを行うため、上部電極層用前駆体層340aを80℃以上300℃以下に加熱した状態で、上部電極層用型M3を用いて、上部電極層用前駆体層340aに対して1MPa以上20MPa以下の圧力で型押し加工が施される。その後、図20に示すように、上部電極層用前駆体層340aを全面エッチングすることにより、上部電極層340に対応する領域以外の領域から上部電極層用前駆体層340aを完全に除去する。

0072

さらにその後、図21に示すように、本焼成として、酸素雰囲気中で、上部電極層用前駆体層340aを、所定の時間、530℃乃至600℃に加熱することにより、酸化物層330上に、ランタン(La)とニッケル(Ni)とからなる上部電極層340(但し、不可避不純物を含み得る。以下、同じ。)が形成される。

0073

本実施形態においても、ビスマス(Bi)を含む前駆体及びニオブ(Nb)を含む前駆体を溶質とする前駆体溶液を出発材とする前駆体層を、酸素含有雰囲気中において加熱することにより形成される、ビスマス(Bi)とニオブ(Nb)からなる酸化物層を備え、酸化物層を形成するための加熱温度が、520℃以上650℃以下とする。これにより、良好な電気特性が得られるとともに、真空プロセスを用いることなく酸化物層の前駆体溶液を酸素含有雰囲気中で加熱すればよいため、従来のスパッタ法と比較して大面積化が容易になるとともに、工業性ないし量産性を格段に高めることが可能となる。

0074

また、本実施形態では、基板10上に、基板10の側から下部電極層320、絶縁層である酸化物層330、上部電極層340を備え、型押し加工を施すことによって型押し構造が形成される。その結果、真空プロセスやフォトリソグラフィー法を用いたプロセス、あるいは紫外線の照射プロセス等、比較的長時間、及び/又は高価な設備を必要とするプロセスが不要になる。その結果、電極層及び酸化物層が、いずれも簡便にパターニングされ得るため、本実施形態の薄膜キャパシタ300は、極めて工業性ないし量産性に優れるものである。

0075

<第4実施形態>
1.本実施形態の薄膜キャパシタの全体構成
本実施形態においても、固体電子装置の一例である薄膜キャパシタの全ての層の形成過程において型押し加工が施されている。本実施形態における固体電子装置の一例である薄膜キャパシタ400の全体構成は、図25に示されている。本実施形態では、下部電極層、酸化物層、及び上部電極層は、各々の前駆体層を積層した後に予備焼成が行なわれる。そして、予備焼成が行なわれた全ての前駆体層は、型押し加工を施された後に本焼成が行われる。従って、本実施の形態の構成については、前述の図11と対応する構成には同一の参照符号を付して説明を省略し、異なる構成について説明する。図25に示すように、薄膜キャパシタ400は、基板10を有し、基板10上に、基板10の側から下部電極層420、誘電体から構成される絶縁層である酸化物層430、上部電極層440を備える。

0076

2.薄膜キャパシタ400の製造工程
次に薄膜キャパシタ400の製造方法を説明する。図22乃至図24は、それぞれ、薄膜キャパシタ400の製造方法の一過程を示す断面模式図である。薄膜キャパシタ400は、まず基板10上に、下部電極層420の前駆体層である下部電極層用前駆体層420a、酸化物層430の前駆体層である前駆体層430a、上部電極層440の前駆体層である上部電極層用前駆体層440aの積層体が形成される。次に、この積層体に型押し加工が施され、本焼成が行われる。薄膜キャパシタ400の製造工程においては、第3実施形態と重複する説明は省略する。

0077

(1)前駆体層の積層体の形成
図22に示すように、まず基板10上に、下部電極層420の前駆体層である下部電極層用前駆体層420a、酸化物層430の前駆体層である前駆体層430a、上部電極層440の前駆体層である上部電極層用前駆体層440aの積層体が形成される。本実施形態においては、第3実施形態と同様、薄膜キャパシタ400の下部電極層420及び上部電極層440が、ランタン(La)とニッケル(Ni)とからなる導電用酸化物層によって形成され、絶縁層となる酸化物層430がビスマス(Bi)及びニオブ(Nb)とからなる酸化物層によって形成される例を説明する。初めに、基板10上に、公知のスピンコーティング法により、ランタン(La)を含む前駆体及びニッケル(Ni)を含む前駆体を溶質とする下部電極層用前駆体溶液を出発材とする下部電極層用前駆体層420aが形成される。その後、予備焼成として、酸素含有雰囲気中で所定の時間、下部電極層用前駆体層420aを80℃以上250℃以下の温度範囲で加熱する。また、前述のスピンコーティング法による下部電極層用前駆体層420aの形成及び予備焼成を複数回繰り返すことによって、下部電極層420の所望の厚みを得ることができる。

0078

次に、予備焼成が行われた下部電極層用前駆体層420a上に前駆体層430aを形成する。まず下部電極層用前駆体層420a上にビスマス(Bi)を含む前駆体及びニオブ(Nb)を含む前駆体を溶質とする前駆体溶液を出発材とする前駆体層430aを形成する。その後、予備焼成として、酸素含有雰囲気中で所定の時間、前駆体層430aを80℃以上250℃以下の温度範囲で加熱する。

0079

次に、予備焼成が行われた前駆体層430a上に、下部電極層用前駆体層420aと同様に、公知のスピンコーティング法により、ランタン(La)を含む前駆体及びニッケル(Ni)を含む前駆体を溶質とする前駆体溶液を出発材とする上部電極層用前駆体層440aが形成される。その後、上部電極層用前駆体層440aに対して酸素含有雰囲気中で80℃以上250℃以下の温度範囲で加熱して予備焼成を行う。

0080

(2)型押し加工
次に、各前駆体層の積層体(420a,430a,440a)のパターニングを行うために、図23に示すように、80℃以上300℃以下の範囲内で加熱した状態で、積層体用型M4を用いて、1MPa以上20MPa以下の圧力で型押し加工が施される。

0081

その後、各前駆体層の積層体(420a,430a,440a)を全面エッチングする。その結果、図24に示すように、下部電極層、酸化物層、及び上部電極層に対応する領域以外の領域から各前駆体層の積層体(420a,430a,440a)を完全に除去する(各前駆体層の積層体(420a,430a,440a)の全面に対するエッチング工程)。

0082

(3)本焼成
次に、各前駆体層の積層体(420a,430a,440a)に対して本焼成を行う。その結果、図25に示すように、基板10上に、下部電極層420、酸化物層430、上部電極層440が形成される。

0083

本実施形態においても、ビスマス(Bi)を含む前駆体及びニオブ(Nb)を含む前駆体を溶質とする前駆体溶液を出発材とする前駆体層を、酸素含有雰囲気中において加熱することにより形成される、ビスマス(Bi)とニオブ(Nb)からなる酸化物層を備え、酸化物層を形成するための加熱温度が、520℃以上650℃以下とする。これにより、良好な電気特性が得られるとともに、真空プロセスを用いることなく酸化物層の前駆体溶液を酸素含有雰囲気中で加熱すればよいため、従来のスパッタ法と比較して大面積化が容易になるとともに、工業性ないし量産性を格段に高めることが可能となる。

0084

また、本実施形態では、予備焼成が行われた全ての酸化物層の前駆体層に対して型押し加工が行った後に本焼成が行われる。したがって、型押し構造を形成する場合において、工程の短縮化を図ることが可能となる。

0085

<実施例>
以下、本発明をより詳細に説明するために、実施例及び比較例をあげて説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。

0086

実施例及び比較例については、以下の方法によって、固体電子装置の物性の測定及びBNO酸化物層の組成分析を実施した。
1.電気特性
(1)リーク電流
下部電極層と上部電極層の間に0.25MV/cmの電圧を印加して電流を測定した。この測定にはアジレントテクノロジー社製、4156C型を用いた。

0087

(2)誘電損失(tanδ)
実施例及び比較例の誘電損失は以下のようにして測定した。室温において、下部電極層と上部電極層の間に0.1Vの電圧、1KHzの交流電圧を印加して誘電損失を測定した。この測定には東陽テクニカ社製、1260−SYS型広帯域誘電率測定ステムを用いた。

0088

(3)比誘電率
実施例及び比較例の比誘電率は以下のようにして測定した。下部電極層と上部電極層の間に0.1Vの電圧、1KHzの交流電圧を印加して比誘電率を測定した。この測定には東陽テクニカ社製、1260−SYS型広帯域誘電率測定システムを用いた。

0089

2.BNO酸化物層の炭素及び水素含有率
National Electrostatics Corporation 製 Pelletron 3SDHを用いて、ラザフォード後方散乱分光法(Rutherford Backscattering Spectrometry:RBS分析法)、水素前方散乱分析法(Hydrogen Forward scattering Spectrometry:HFS分析法)、及び核反応解析法((Nuclear Reaction Analysis:NRA分析法)により元素分析を行い、実施例及び比較例におけるBNO酸化物層の炭素及び水素の含有率を求めた。

0090

3.BNO酸化物層の断面TEM写真及び電子線回析による結晶構造解析
実施例及び比較例におけるBNO酸化物層について断面TEM(Transmission Electron Microscopy)写真及び電子線回析像による観察を行った。また、実施例及び比較例におけるBNO酸化物層の電子線回析像を用いて、ミラー指数及び原子間距離を求め、既知の結晶構造モデルフィッティングを行うことにより構造解析を行った。既知の結晶構造モデルとして、(Bi1.5Zn0.5)(Zn0.5Nb1.5)O7,β−BiNbO4、及びBi3NbO7を用いた。

0091

(実施例1)
実施例1においては、本実施形態の実施形態の製造方法に基づき、薄膜キャパシタを作成した。まず、基板の上に下部電極層を形成し、次に、酸化物層を形成する。その後、酸化物層上に上部電極層を形成する。基板として、高耐熱ガラスを用いた。下部電極層は、公知のスパッタリング法により基板上に白金(Pt)よりなる層を形成した。このときの下部電極層の膜厚は200nmであった。絶縁層となる酸化物層のためのビスマス(Bi)を含む前駆体は、オクチル酸ビスマスを用い、ニオブ(Nb)を含む前駆体は、オクチル酸ニオブを用いた。予備焼成として、5分間、250℃に加熱し、スピンコーティング法による前駆体層の形成と予備焼成を5回繰り返した。本焼成として、前駆体層を、酸素雰囲気中で、約20分間、520℃に加熱した。酸化物層30の厚みを約170nmとした。各層の膜厚は、各層と基板の段差触針法により求めた。酸化物層におけるビスマス(Bi)とニオブ(Nb)との原子組成比は、ビスマス(Bi)が1としたときにニオブ(Nb)が1であった。上部電極層は、公知のスパッタリング法により酸化物層上に白金(Pt)よりなる層を形成した。このときの上部電極層のサイズを100μm×100μmとし、膜厚を150nmとした。また、電気特性は、リーク電流値が、3.0×10−4A/cm2、誘電損失が、0.025、比誘電率が62であった。BNO酸化物層の結晶相組成は、パイロクロア型結晶構造微結晶相及びβ−BiNbO4型結晶構造の結晶相の双方を得ることができた。また、さらに具体的には、パイロクロア型結晶構造は、(Bi1.5Zn0.5)(Zn0.5Nb1.5)O7型構造であるか、あるいは(Bi1.5Zn0.5)(Zn0.5Nb1.5)O7型構造と略同一ないし近似していることが判明した。

0092

(実施例2)
実施例2においては、本焼成として、前駆体層を、酸素雰囲気中で、1時間、520℃に加熱した以外は実施例1と同様の条件で薄膜キャパシタを作成した。また、電気特性は、リーク電流値が、3.0×10−8A/cm2、誘電損失が、0.01、比誘電率が70であった。BNO酸化物層の結晶相の組成は、パイロクロア型結晶構造の微結晶相及びβ−BiNbO4型結晶構造の結晶相の双方を得ることができた。また、さらに具体的には、パイロクロア型結晶構造は、(Bi1.5Zn0.5)(Zn0.5Nb1.5)O7型構造であるか、あるいは(Bi1.5Zn0.5)(Zn0.5Nb1.5)O7型構造と略同一ないし近似していることが判明した。また、炭素含有率が1.5atm%以下と検出限界以下の小さな値となり、水素含有率が1.6atm%であった。

0093

(実施例3)
実施例3においては、本焼成として、前駆体層を、酸素雰囲気中で、20分、530℃に加熱した以外は実施例1と同様の条件で薄膜キャパシタを作成した。電気特性は、リーク電流値が、3.0×10−6A/cm2、誘電損失が、0.01、比誘電率が110であった。BNO酸化物層の結晶相の組成は、パイロクロア型結晶構造の微結晶相及びβ−BiNbO4型結晶構造の結晶相の双方を得ることができた。また、さらに具体的には、パイロクロア型結晶構造は、(Bi1.5Zn0.5)(Zn0.5Nb1.5)O7型構造であるか、あるいは(Bi1.5Zn0.5)(Zn0.5Nb1.5)O7型構造と略同一ないし近似していることが判明した。

0094

(実施例4)
実施例4においては、本焼成として、前駆体層を、酸素雰囲気中で、2時間、530℃に加熱した以外は実施例1と同様の条件で薄膜キャパシタを作成した。電気特性は、リーク電流値が、8.8×10−8A/cm2、誘電損失が、0.018、比誘電率が170であった。BNO酸化物層の結晶相の組成は、パイロクロア型結晶構造の微結晶相及びβ−BiNbO4型結晶構造の結晶相の双方を得ることができた。また、さらに具体的には、パイロクロア型結晶構造は、(Bi1.5Zn0.5)(Zn0.5Nb1.5)O7型構造であるか、あるいは(Bi1.5Zn0.5)(Zn0.5Nb1.5)O7型構造と略同一ないし近似していることが判明した。また、炭素含有率が1.5atm%以下と検出限界以下の小さな値となり、水素含有率が1.4atm%であった。

0095

(実施例5)
実施例5においては、本焼成として、前駆体層を、酸素雰囲気中で、1分、550℃に加熱した以外は実施例1と同様の条件で薄膜キャパシタを作成した。電気特性は、リーク電流値が、5.0×10−7A/cm2、誘電損失が、0.01、比誘電率が100であった。BNO酸化物層の結晶相の組成は、パイロクロア型結晶構造の微結晶相及びβ−BiNbO4型結晶構造の結晶相の双方を得ることができた。また、さらに具体的には、パイロクロア型結晶構造は、(Bi1.5Zn0.5)(Zn0.5Nb1.5)O7型構造であるか、あるいは(Bi1.5Zn0.5)(Zn0.5Nb1.5)O7型構造と略同一ないし近似していることが判明した。

0096

(実施例6)
実施例6においては、本焼成として、前駆体層を、酸素雰囲気中で、20分、550℃に加熱した以外は実施例1と同様の条件で薄膜キャパシタを作成した。電気特性は、リーク電流値が、1.0×10−6A/cm2、誘電損失が、0.001、比誘電率が180であった。BNO酸化物層の結晶相の組成は、パイロクロア型結晶構造の微結晶相及びβ−BiNbO4型結晶構造の結晶相の双方を得ることができた。また、さらに具体的には、パイロクロア型結晶構造は、(Bi1.5Zn0.5)(Zn0.5Nb1.5)O7型構造であるか、あるいは(Bi1.5Zn0.5)(Zn0.5Nb1.5)O7型構造と略同一ないし近似していることが判明した。また、炭素含有率が1.5atm%以下、水素含有率が1.0atm%以下と双方検出限界以下の小さな値となった。

0097

(実施例7)
実施例7においては、本焼成として、前駆体層を、酸素雰囲気中で、12時間、550℃に加熱した以外は実施例1と同様の条件で薄膜キャパシタを作成した。電気特性は、リーク電流値が、2.0×10−5A/cm2、誘電損失が、0.004、比誘電率が100であった。BNO酸化物層の結晶相の組成は、パイロクロア型結晶構造の微結晶相及びβ−BiNbO4型結晶構造の結晶相の双方を得ることができた。また、さらに具体的には、パイロクロア型結晶構造は、(Bi1.5Zn0.5)(Zn0.5Nb1.5)O7型構造であるか、あるいは(Bi1.5Zn0.5)(Zn0.5Nb1.5)O7型構造と略同一ないし近似していることが判明した。

0098

(実施例8)
実施例8においては、本焼成として、前駆体層を、酸素雰囲気中で、20分、600℃に加熱した以外は実施例1と同様の条件で薄膜キャパシタを作成した。電気特性は、リーク電流値が、7.0×10−6A/cm2、誘電損失が、0.001、比誘電率が80であった。BNO酸化物層の結晶相の組成は、β−BiNbO4型結晶構造の結晶相を得ることができた。

0099

(実施例9)
実施例9においては、本焼成として、前駆体層を、酸素雰囲気中で、20分、650℃に加熱した以外は実施例1と同様の条件で薄膜キャパシタを作成した。電気特性は、リーク電流値が、5.0×10−3A/cm2、誘電損失が、0.001、比誘電率が95であった。BNO酸化物層の結晶相の組成は、β−BiNbO4型結晶構造の結晶相を得ることができた。

0100

(実施例10)
実施例10においては、本実施形態の第4実施形態の製造方法に基づき、薄膜キャパシタを作成した。基板10として、高耐熱ガラスを用いた。下部電極層及び上部電極層は、ランタン(La)とニッケル(Ni)とからなる酸化物層を形成した。下部電極層及び上部電極層のためのランタン(La)を含む前駆体は、酢酸ランタンを用いた。また、絶縁層となる酸化物層は、ビスマス(Bi)とニオブ(Nb)とからなる酸化物層を形成した。酸化物層のためのビスマス(Bi)を含む前駆体は、オクチル酸ビスマスを用い、ニオブ(Nb)を含む前駆体は、オクチル酸ニオブを用いた。まず、基板の上に下部電極層の前駆体層を形成して予備焼成した。予備焼成として、約5分間、250℃に加熱し、スピンコーティング法による前駆体層の形成と予備焼成を5回繰り返した。次に、下部電極層の前駆体層の上に、絶縁層となる酸化物層の前駆体層を形成し、予備焼成として、約5分間、250℃に加熱した。その後、絶縁層となる酸化物層の前駆体層の上に、下部電極層の前駆体層と同様の条件で上部部電極層の前駆体層を形成した。次に予備焼成として、約5分間、150℃に加熱し、スピンコーティング法による前駆体層の形成と予備焼成を5回繰り返した。その後、これら前駆体層の積層体を本焼成として、酸素含有雰囲気中で、20分間、650℃に加熱した。絶縁層となる酸化物層の厚みは約170nmであった。絶縁層となる酸化物層におけるビスマス(Bi)とニオブ(Nb)との原子組成比は、ビスマス(Bi)が1としたときにニオブ(Nb)を1とした。上部電極層及び下部電極層の厚みは約60nmであった。このときの上部電極層のサイズを100μm×100μmとした。電気特性は、リーク電流値が、2.4×10−5A/cm2、誘電損失が、0.015、比誘電率が120であった。BNO酸化物層の結晶相の組成は、β−BiNbO4型結晶構造の結晶相を得ることができた。

0101

(比較例1)
比較例1においては、本焼成として、前駆体層を、酸素雰囲気中で、20分、500℃に加熱した以外は実施例1と同様の条件で薄膜キャパシタを作成した。電気特性は、リーク電流値が、1.0×10−2A/cm2と大きく、誘電損失が、0.001、比誘電率が100であった。BNO酸化物層の結晶相の組成は、パイロクロア型結晶構造の微結晶相及びβ−BiNbO4型結晶構造の結晶相の双方を得ることができた。

0102

(比較例2)
比較例2においては、本焼成として、前駆体層を、酸素雰囲気中で、2時間、500℃に加熱した以外は実施例1と同様の条件で薄膜キャパシタを作成した。電気特性は、リーク電流値が、1.0×10−1A/cm2と大きく、誘電損失が、0.007、比誘電率が180であった。BNO酸化物層の結晶相の組成は、パイロクロア型結晶構造の微結晶相及びβ−BiNbO4型結晶構造の結晶相の双方を得ることができた。炭素含有率が6.5atm%、水素含有率が7.8atm%と大きい値となった。

0103

(比較例3)
比較例3においては、下部電極層上に絶縁層となるBNO酸化物層を、公知のスパッタリング法により室温にて形成し、この後550℃で20分熱処理を行った。その他については、実施例1と同様の条件で薄膜キャパシタを作成した。電気特性は、リーク電流値が、1.0×10−7A/cm2、誘電損失が、0.005となり、比誘電率が50であった。BNO酸化物層の結晶相の組成は、Bi3NbO7型結晶構造の微結晶相を得ることができた。また、炭素含有率が1.5atm%以下、水素含有率が1.0atm%以下と双方検出限界以下の小さな値となった。

0104

実施例1乃至10および比較例1乃至3における薄層キャパシタの構成及び酸化物層の成膜条件、得られた電気特性及びBNO酸化物層の炭素及び水素の含有率、結晶構造の結果を表2及び表3に示す。なお、表2及び表3における「結晶相の組成」とは、結晶相及び微結晶相を含む。また、表2及び表3におけるBiNbO4は、β−BiNbO4を示す。

0105

0106

0107

1.電気特性
(1)リーク電流
表2及び表3に示すように、実施例においては、0.25MV/cm印加時のリーク電流値が、5.0×10−3A/cm2以下となり、キャパシタとしての十分な特性を得ることができた。実施例は、比較例1,2と比較してリーク電流が低い値となり、酸化物層を形成するための加熱温度が、520℃以上650℃以下とすることによって、良好な値が得られることが確認された。また、比較例3のスパッタリング法によるBNO層と同等の結果が得られた。

0108

(2)誘電損失(tanδ)
表2及び表3に示すように、実施例においては、誘電損失が1KHzにおいて、0.03以下となり、キャパシタとしての十分な特性を得ることができた。これらの実施例における酸化物層は、ビスマス(Bi)を含む前駆体及びニオブ(Nb)を含む前駆体を溶質とする前駆体溶液を焼成することによって形成されている。本出願では、前述のように、前駆体溶液を出発材とし、それを焼成することによって酸化物層やその他の酸化物層を形成する方法を、便宜上、「溶液法」とも呼ぶ。この溶液法によって形成された酸化物層は、誘電損失が小さい点ても好ましい絶縁層である。さらに組成は同じであっても、実施例による酸化物層は、比較例3におけるスパッタリング法によるBNO層と同等の結果が得られた。

0109

(3)比誘電率
比誘電率については、表2及び表3に示すように、実施例においては、1KHzにおける比誘電率が60以上となり、キャパシタとしての十分な特性を得ることができた。一方、比較例3のBi3NbO7型結晶構造のBNO層は、比誘電率が50と低い結果が得られた。

0110

2.BNO酸化物層の炭素および水素の含有率
本焼成の温度が520℃〜650℃の範囲である実施例2,4,6については、BNO酸化物層の炭素含有率が1.5atm%以下と良好な結果であった。ここで、本測定法による炭素含有率の測定下限値は、およそ1.5atm%であるため、実際の濃度は、この測定下限値以下であると考えられる。また、これらの実施例においては、炭素含有率が比較例3のスパッタ法によるBNO酸化物層と同様のレベルであることが判明した。一方、比較例2に示すように、本焼成の温度が500℃と低い場合には、前駆体溶液の溶媒及び溶質中の炭素が残存すると考えられ、炭素含有率が6.5atm%と大きな値を示した。その結果、リーク電流1.0×10−1A/cm2と大きい値になったものと考えられる。

0111

また、水素含有率については、本焼成の温度が520℃〜650℃の範囲である実施例2,4,6については、BNO酸化物層の水素含有率が1.6atm%以下と良好な結果であった。ここで、本測定法による水素含有率の測定下限値は、およそ1.0atm%であるため、実施例6における実際の濃度は、この測定下限値以下であると考えられる。また、実施例6においては、水素含有率が比較例3のスパッタ法によるBNO酸化物層と同様のレベルであることが判明した。一方、比較例2に示すように、本焼成の温度が500℃と低い場合には、前駆体溶液の溶媒及び溶質中の水素が残存すると考えられ、水素含有率が7.8atm%と大きな値を示した。このように水素含有率が大きいことも、リーク電流が1.0×10−1A/cm2と大きい値になった原因と考えられる。

0112

3.断面TEM写真及び電子線回析による結晶構造解析
図26は、実施例6におけるBNO酸化物層の結晶構造を示す断面TEM写真及び電子線回析像である。図26(a)は、実施例6におけるBNO酸化物層の断面TEM写真である。図26(b)は、図26(a)に示したBNO酸化物層の断面TEM写真の領域Xにおける電子線回析像である。また、図27は、比較例3における絶縁層となる酸化物層の結晶構造を示す断面TEM写真及び電子線回析像である。図27(a)は、比較例3におけるBNO酸化物層の結晶構造を示す断面TEM写真である。図27(b)は、図27(a)に示したBNO酸化物層の断面TEM写真の領域Yにおける電子線回析像である。図26に示すように、断面TEM写真及び電子線回析像の結果から、本実施例のBNO酸化物層は、結晶相及びアモルファス相を含んでいることが確認された。より詳細に見れば、BNO酸化物層は、結晶相、微結晶相、及びアモルファス相を含んでいることが分かった。なお、本出願において、「微結晶相」とは、ある層状の材料が形成されている場合に、その層の膜厚方向上端から下端に至るまで一様に成長した結晶相ではない結晶相を意味する。さらに、ミラー指数及び原子間距離から、既知の結晶構造モデルとフィッティングを行うことによって、BNO酸化物層は、A2B2O7(但し、Aは金属元素、Bは遷移金属元素、以下、同じ)の一般式で示されるパイロクロア型結晶構造の微結晶相及び三斜晶(triclinic)のβ−BiNbO4型結晶構造の結晶相のうちの少なくとも一方を有していることが示された。

0113

パイロクロア型結晶構造の微結晶相及びβ−BiNbO4型結晶構造の結晶相は、絶縁層となる酸化物層の前駆体層の本焼成の温度によって、出現性が異なる。実施例8,9,10に示すように、本焼成の温度が600℃及び650℃の場合に、β−BiNbO4型結晶構造の結晶相を得ることができた。また、実施例1〜7に示すように、本焼成の温度が520℃、530℃、及び550℃の場合に、パイロクロア型結晶構造の微結晶相及びβ−BiNbO4型結晶構造の結晶相の双方を得ることができた。また、さらに具体的には、パイロクロア型結晶構造は、(Bi1.5Zn0.5)(Zn0.5Nb1.5)O7型構造であるか、あるいは(Bi1.5Zn0.5)(Zn0.5Nb1.5)O7型構造と略同一ないし近似しており、本構造のパイロクロア型結晶構造は、薄層キャパシタの絶縁層として、良好な電気特性が得られることが判明した。また、実施例1〜7に示すように、絶縁層となる酸化物層は、パイロクロア型結晶構造の微結晶相及びβ−BiNbO4型結晶構造の結晶相の双方を有することによって、固体電子装置の絶縁層として、良好な比誘電率が得ることが可能であることが判明した。

0114

一方、比較例3におけるスパッタ法による酸化物層は、パイロクロア型結晶構造の微結晶相及びβ−BiNbO4型結晶構造の結晶相が確認できず、Bi3NbO7型結晶構造を有する微結晶相を有していた。

0115

上述のとおり、上述の各実施形態における固体電子装置は、溶液法により作成され、酸化物層を形成するための加熱温度(本焼成の温度)を、520℃以上650℃以下とするBNO酸化物層を備えることによって、比誘電率が高いうえに誘電損失が少ないという良好な電気特性を得ることが可能となる。加えて、真空装置等の複雑で高価な設備を要することなく比較的短時間で簡易な方法で形成されるため、工業性ないし量産性に優れた固体電子装置の提供に大きく貢献するものである。

0116

<その他の実施形態>
以上、この発明の実施形態について説明したが、この発明は上記説明した内容のものに限定されるものではない。

0117

上述の各実施形態における固体電子装置は、低い駆動電圧で大きな電流を制御する固体電子装置に適したものである。上述の各実施形態における固体電子装置として、上述した薄膜キャパシタ以外にも、例えば、積層薄膜キャパシタ、容量可変薄膜キャパシタ等のキャパシタ、また、金属酸化物半導体接合電界効果トランジスタMOSFET)、不揮発性メモリ等の半導体装置、さらに、マイクロTAS(Total Analysis System)、マイクロ化学チップDNAチップ等のMEMS(微少電気機械システム)デバイスとして適用することもできる。

0118

以上述べたとおり、上述の各実施形態の開示は、それらの実施形態の説明のために記載したものであって、本発明を限定するために記載したものではない。加えて、各実施形態の他の組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた、特許請求の範囲に含まれるものである。

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