JP3446461B2 - Ba1−xSrxTiyO3薄膜形成用組成物、Ba1−xSrxTiyO3薄膜の形成方法及び薄膜コンデンサの製造方法 - Google Patents
Ba1−xSrxTiyO3薄膜形成用組成物、Ba1−xSrxTiyO3薄膜の形成方法及び薄膜コンデンサの製造方法Info
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パシタ等に用いられるBa1−xSrxTiyO3誘電
体薄膜形成用組成物、この組成物を用いたBa1−xS
rxTiyO3誘電体薄膜の形成方法及び薄膜コンデン
サの製造方法に関する。
は高い誘電率を有することから、近年、SiO2,Si
Nxに代わる半導体メモリのキャパシタとして、或いは
IC信号処理用の内蔵コンデンサとして注目されている
(例えば特開平3−257020号公報)。
ル法は、種々の置換元素、添加物によって組成の変性が
可能である、低コストであるなどの利点を有することか
ら、近年研究が進められている(例えば特開平2−27
0311号公報)。
しての金属塩や金属アルコキシドを有機溶媒に混合して
基板上に塗布して結晶化させる方法である。Ba1−x
SrxTiyO3系薄膜の成膜において、金属塩、金属
アルコキシドは有機溶媒への溶解度が高いので、通常、
塗布液を塗布した後、室温及び150℃で乾燥後、50
0〜600℃で1時間もしくは750℃以上の高温で1
分仮焼する。そして、膜厚を厚くするため、この塗布、
乾燥及び仮焼の操作を繰り返し、最後に650℃以上の
焼成温度で焼成して結晶化させる。なお、塗布液の出発
原料としては、Ba,Sr,Tiのすべての原料として
金属アルコキシドを用いる方法(M.N.Kamalasanan等、
J.Appl.Phys.74(9)、0021-8979(1993))、Ba,Srの
カルボン酸塩とTiのアルコキシドを用いる方法などが
ある(H.K.Chae等、Mat.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.271.(1
992))。
電極と誘電体薄膜と上部電極をこの順で積層してなる3
層積層タイプのものと、比抵抗の小さい基板を下部電極
として用いその上に誘電体薄膜と上部電極を積層してな
る2層積層タイプのものとがある。
度化、多機能化に伴い、三次元構造による基板の多層配
線化、かつその製造工程の簡略化が要求されている。
りのために、500〜600℃という高温の仮焼を繰り
返す上に、結晶化のための焼成温度も高いことから、既
存の素子の劣化又は余計な酸化物の生成による特性の変
化が懸念され、このような要求を満たすことは困難であ
った。
的低温、短時間の仮焼で重ね塗りが可能であり、また、
低温焼成が可能なBa1−xSrxTiyO3薄膜形成
用組成物を提供することを第1の目的とする。
rxTiyO3薄膜形成用組成物を用いて低温焼成にて
も結晶化させることができるBa1−xSrxTiyO
3薄膜の形成方法を提供することを第2の目的とする。
ンサには、基板上に下部電極と誘電体薄膜と上部電極を
この順で積層してなる3層積層タイプのものと、比抵抗
の小さい基板を下部電極として用いその上に誘電体薄膜
と上部電極を積層してなる2層積層タイプのものとがあ
る。前者の3層タイプの薄膜コンデンサにあっては、誘
電体薄膜を焼成する際に下部電極も高温にさらされるこ
とから、耐熱性に優れたPtなどの電極を用いる必要が
あり、このような耐熱性のある貴金属電極を用いた場合
には、基板と誘電体薄膜との密着性の問題や、貴金属電
極の微細加工が難しいといった問題点があった。
では、このような貴金属下部電極は不要であるが、誘電
体薄膜の熱処理に800〜1200℃もの高温を必要と
するため、Si基板と誘電体薄膜との界面にの低誘電率
のSiO2混合層(SiO2と誘電体との混合層)がで
きてしまい、高誘電率薄膜を形成しても結果的にはコン
デンサの容量を大きくとれないという問題点があった。
基板上に直接に誘電体薄膜を形成しその上に上部電極を
設けた2層タイプの薄膜コンデンサにおいて、そのコン
デンサ容量を従来よりも著しく高めることが可能な薄膜
コンデンサの製造方法を提供することを第3の目的とす
る。
xTiyO3薄膜形成用組成物は、有機バリウム化合
物、有機ストロンチウム化合物及びチタンアルコキシド
を、モル比がBa:Sr:Ti=1−x:x:y(ただ
し、0<x<1,0.9≦y≦1.1)となるように有
機溶媒中に溶解してなるBa1−xSrxTiyO3薄
膜形成用組成物において、該有機バリウム化合物及び有
機ストロンチウム化合物が、一般式CnH2n+1CO
OH(ただし、3≦n≦7)で表されるカルボン酸の金
属塩であって、かつ、下記一般式[I]の構造をとり得
るカルボン酸塩であることを特徴とする。
素、メチル基又はエチル基を示し、MはBa又はSrを
示す。)
の形成方法は、本発明のBa1−xSrxTiyO3薄
膜形成用組成物を用いてBa1−xSrxTiyO3薄
膜を形成する方法であって、該Ba1−xSrxTiy
O3薄膜形成用組成物を基板に塗布して乾燥する工程を
所望の膜厚が得られるまで繰り返し行った後、750℃
以下の温度で焼成して結晶化させることを特徴とする。
i基板上に誘電体薄膜を形成し、この誘電体薄膜の上に
上部電極を形成する誘電体薄膜の製造方法において、該
Si基板上に本発明のBa1−xSrxTiyO3薄膜
形成用組成物を用いてBa1−xSrxTiyO3誘電
体薄膜を形成する方法であって、該Ba1−xSrxT
iyO3薄膜形成用組成物を基板に塗布して乾燥する工
程を所望の膜厚が得られるまで繰り返し行った後、75
0℃以下の温度で焼成して結晶化させることを特徴とす
る。なお、この焼成は、電気炉中ならば30〜60分行
うのが好ましく、RTA(Rapid Thermal
Anneal,短時間アニール)装置ならば1〜30
分行うのが好ましい。
して用いられるカルボン酸塩は、一般式CnH2n+1
COOH(ただし、3≦n≦7)で表され、かつ、上記
一般式[I]の構造をとり得るカルボン酸の金属塩であ
るが、このようなカルボン酸としては、具体的には次の
ようなものが挙げられる。
トロンチウム塩は、上記カルボン酸と炭酸バリウム(B
aCO3)又は炭酸ストロンチウム(SrCO3)とを
反応させることにより容易に合成することができる。
して用いるカルボン酸塩は、下記一般反応式に示す如
く、低温にて容易に分解する。
きで構造的に六員環をとることにより、低温にて理想的
な炭素結合の分解がなされる(Allen W.等、Mat.Res.S
ec.Symp.Proc.Vol.271(1992))。例えば、文献(M.K.Ka
malasanan等、Apple.Phys.Lett.59(27)、0003-6951)に
おいても、酢酸塩よりも2−エチルヘキサン酸塩のほう
がより低温でかつ短時間の熱処理が可能であることが示
されている。
は、低温にて容易に分解されることから、塗膜形成時に
おいて、低温、短時間の熱処理で重ね塗りができ、更に
低温焼成が可能となる。
ては、Ti(OR)4(ただし、Rは炭素数2〜5の直
鎖状又は分岐状のアルキル基)で表されるものを用いる
が、具体的には、エトキシチタン、イソプロポキシチタ
ン、n−プロポキシチタン、イソブトキシチタン、te
rt−ブトキシチタン、n−アミロキシチタン等が好適
に使用される。
原料及びTi原料を混合する有機溶媒としては、酢酸エ
チル、酢酸n−プロピル、酢酸イソプロピル、酢酸n−
ブチル、酢酸sec−ブチル、酢酸tert−ブチル、
酢酸イソブチル、酢酸n−アミル、酢酸sec−アミ
ル、酢酸tert−アミル、酢酸イソアミル等の、酢酸
と炭素数2〜5のアルコールとのエステルを用いること
ができる。
らの有機溶媒中に所望のBa1−xSrxTiyO3組
成となるように、また、Ba1−xSrxTiyO3濃
度が2〜15重量%好ましくは4〜10重量%となるよ
うに混合される。
ロンチウムを熱分解性に優れる六員環構造を形成するカ
ルボン酸塩で加え、また、チタンをアルコキシドで加え
るが、チタンアルコキシドの加水分解性のために、BS
T薄膜形成用組成物を基板に塗布した時にストリエーシ
ョンが発生する可能性がある。従って、必要に応じて、
β−ジケトン類、β−ケトエステル類、グリコール類、
アルコール類、高級カルボン酸類等の安定化剤を加える
のが好ましい。具体的には、アセチルアセトン、ベンゾ
イルアセトン、ジベンゾイルメタン、3−オキソブタン
酸エチル、2−メトキシエタノール、2−エトキシエタ
ノール、2−エトキシプロパノール、β−ブチレングリ
コール、2,4−アミレングリコール、又は、バリウム
及びストロンチウムのカルボン酸塩と同じカルボン酸
を、チタンアルコキシドに対して5.0倍モル量以下、
とくには0.5〜4.0倍モル量添加するのが好まし
い。
1−xSrxTiyO3薄膜形成用組成物を用いてBa
1−xSrxTiyO3薄膜を形成するには、スピンコ
ート、ディップコート、スプレーコート等の塗布法によ
り、Pt/Ti/SiO2/Si,Pt/IrO/Ir
/SiO2/Si,Pt/TiN/SiO2/Si,P
t/Ta/SiO2/Si,Pt/Ir/SiO2/S
i等の基板上、或いは、アルミナ、窒化アルミニウム、
ジルコニア等をガラスコートしたグレース基板上に本発
明の組成物を塗布して乾燥する工程を、所望の膜厚が得
られるまで複数回繰り返し行った後、焼成する。本発明
においては、Ba1−xSrxTiyO3薄膜形成用組
成物に易分解性の原料を用いているため、この乾燥を1
50〜400℃の低温で行うことができ、また、焼成に
ついても450〜750℃の低温で行うことができる。
なお、乾燥時間は通常5〜10分程度、焼成時間は1〜
60分程度である。当然ながら、焼成温度が高いほど、
焼成時間は短かくて済む。
製造するには、上記薄膜形成方法に従ってSi基板上に
誘電体薄膜を形成する。この場合、最後の焼成温度が高
くなるほど焼成時間を短かくし、Si基板の酸化を少な
くする。
を結晶化させることにより、Si基板表面の酸化層形成
量が著しく少なくなり、SiO2と誘電体との混合層も
きわめて薄くなる。そして、これにより、薄膜コンデン
サのキャパシタ容量が800℃以上の高温焼成を必要と
した従来に比べ格段に高いものとなる。
蒸着、スパッタリングなど各種の方法を採用できる。
明する。なお、以下の実施例及び比較例において、Si
O2の換算膜厚は次のようにして計算した。
電率をε1、SiO2の膜厚をx、誘電率をε2、電束
密度をδとする。
存在する場合
ST膜と、誘電率ε2のSi2膜とが積層配置されてお
り、導体間の電位差Vは次の通りとなる。
Tの比誘電率をε1’=300とし、SiO2の比誘電
率をε2’=4とする。ここで、誘電率ε1=ε0×ε
1’,ε2=ε0×ε2’であり、ε0は真空の誘電率
=8.854×10−12である。これらのε1,ε2
の値を上記(1)式に代入し、C,dの値の測定値から
xを求める。
の場合、ε1’=240、 (Ba0.3Sr0.7)TiO3の場合、ε1’=2
00、 BaTiO3の場合、ε1’=150 SrTiO3の場合、ε1’=150 として計算を行う。
ウム、チタニウムイソプロポキシドを用い、これらを組
成比Ba0.7Sr0.3TiO3となるように、か
つ、組成物の酸化物換算の合計濃度が7重量%濃度とな
るように、有機溶剤(酢酸イソアミル。以下の実施例及
び比較例において同じ)中に混合し薄膜形成剤を調製し
た。
mのシリコン基板上に塗布し(スピンコート)、200
℃で10分間乾燥させこの工程を繰り返し、最後に電気
炉中にて550℃で30分焼成を行い誘電体薄膜を形成
した。この誘電体薄膜上にPt上部電極を、また誘電体
薄膜を形成していない側のシリコン基板表面に、取り出
し電極としてPt電極をそれぞれスパッタリングにより
形成し、薄膜コンデンサを製造した。電気特性の測定結
果を表2に示す。
チルペンタン酸ストロンチウム、チタニウムイソプロポ
キシドを用いたこと以外は実施例1と同様にして薄膜コ
ンデンサを製造した。電気特性の測定結果を表2に示
す。
チルヘキサン酸ストロンチウム、チタニウムイソプロポ
キシドを用いたこと以外は実施例1と同様にして薄膜コ
ンデンサを製造した。電気特性の測定結果を表2に示
す。
トロンチウム、チタニウムイソプロポキシドを用いたこ
と以外は実施例1と同様にして薄膜コンデンサを製造し
た。電気特性の測定結果を表2に示す。
ウム、チタニウムイソプロポキシドを用い、これらを組
成比Ba0.7Sr0.3TiO3となるように、か
つ、組成物の酸化物換算の合計濃度が7重量%濃度とな
るように、有機溶剤中に混合し薄膜形成剤を調製した。
低抵抗シリコン基板上に塗布したところ、溶液の粘度が
高く均質な膜にはならなかった。そこで有機溶剤を更に
加え溶液濃度を3重量%濃度まで希釈して基板に塗布し
たところ均質な膜にはなったが、重ね塗りの段階で前回
の塗布膜が溶解してしまい、成膜は不可能であった。
施例1〜3と同様に行って薄膜コンデンサを製造した。
電気特性の測定結果を表2に示す。
較例1、2と同様に行って薄膜コンデンサを製造した。
電気特性の測定結果を表2に示す。
以外は、実施例1〜3と同様に行って薄膜コンデンサを
製造した。電気特性の測定結果を表3に示す。
以外は、比較例1〜2と同様に行って薄膜コンデンサを
製造した。電気特性の測定結果を表3に示す。
ように溶解させたこと以外は、実施例1〜3及び比較例
1,2と同様に行って薄膜コンデンサを製造した。電気
特性の測定結果を表4に示す。
ように溶解させたこと以外は、実施例1〜3及び比較例
1,2と同様に行って薄膜コンデンサを製造した。電気
特性の測定結果を表5に示す。
トロンチウム2.64gを酢酸イソアミル溶媒40gに
溶解させ、添加剤2,4−ペンタンジオン5.5gを加
えた後、イソプロポキシチタン7.89gを加えて還流
した。その後、イソアミルアルコール30gと酢酸イソ
アミルを添加して全体が100gになるようにして、6
重量%のBa0.7Sr0.3TiO3薄膜形成用組成
物を調製した。
膜コンデンサを製造した。電気特性の測定結果を表6に
示す。
例1と同様にして薄膜コンデンサを製造した。電気特性
の測定結果を表6に示す。
実施例1と同様にして薄膜コンデンサを製造した。電気
特性の測定結果を表6に示す。
和物1.77gを酢酸溶媒80gに溶解し、150℃で
脱水を行った後、添加剤2,4−ペンタンジオン5.5
0gを添加し、その後、イソプロポキシチタン7.81
gを加えた。更に、全体の質量が100gになるように
酢酸溶媒を加えて、6重量%のBa0.7Sr0.3T
iO3薄膜形成用組成物を調製した。
成膜を試みたところ、重ね塗りの段階で前回の塗布膜が
溶解してしまい、成膜は不可能であった。
ないn−ヘプタン酸塩) n−ヘプタン酸バリウム7.61g、n−ヘプタン酸ス
トロンチウム2.85gを酢酸イソアミル溶媒70gに
溶解させ、添加剤3−オキソブタン酸エチル7.15g
を添加した後、イソプロポキシチタン7.89gを加え
て還流した。更に、酢酸イソアミルで全体の質量を10
0gにして、6重量%のBa0.7Sr0.3TiO3
薄膜形成用組成物を調製した。
成膜を試みたところ、重ね塗りの段階で前回の塗布膜が
溶解してしまい、成膜は不可能であった。
SrxTiyO3薄膜形成用組成物及びBa1−xSr
xTiyO3薄膜の形成方法によれば、従来法に比べ
て、乾燥工程及び焼成工程での低温化が図れ、所望の膜
厚の高特性Ba1−xSrxTiyO3薄膜を容易かつ
低コストに形成することが可能とされる。本発明の薄膜
コンデンサの製造方法によると、誘電体薄膜を低温焼成
できるため、誘電体薄膜とSi基板との界面に生じるS
iO2と誘電体との混合層が従来よりも格段に薄く、こ
のためキャパシタ容量が大きい薄膜コンデンサを製造す
ることができる。
Claims (6)
- 【請求項1】 有機バリウム化合物、有機ストロンチウ
ム化合物及びチタンアルコキシドを、モル比がBa:S
r:Ti=1−x:x:y(ただし、0<x<1,0.
9≦y≦1.1)となるように有機溶媒中に溶解してな
るBa1−xSrxTiyO3薄膜形成用組成物におい
て、 該有機バリウム化合物及び有機ストロンチウム化合物
が、一般式CnH2n+1COOH(ただし、3≦n≦
7)で表されるカルボン酸の金属塩であって、かつ、下
記一般式[I]の構造をとり得るカルボン酸塩であるこ
とを特徴とするBa1−xSrxTiyO3薄膜形成用
組成物。 【化1】 (上記式中、R1,R2,R3,R4,R5,R6は水
素、メチル基又はエチル基を示し、MはBa又はSrを
示す。) - 【請求項2】 請求項1において、チタンアルコキシド
がTi(OR) 4 (ただし、Rは炭素数2〜5の直鎖状
又は分岐状のアルキル基)で表されることを特徴とする
Ba 1−x Sr x Ti y O 3 薄膜形成用組成物。 - 【請求項3】 請求項1又は2に記載のBa1−xSr
xTiyO3薄膜形成用組成物を用いてBa1−xSr
xTiyO3薄膜を形成する方法であって、該Ba
1−xSrxTiyO3薄膜形成用組成物を基板に塗布
して乾燥する工程を所望の膜厚が得られるまで繰り返し
行った後、750℃以下の温度で焼成して結晶化させる
ことを特徴とするBa1−xSrxTiyO3薄膜の形
成方法。 - 【請求項4】 Si基板上に誘電体薄膜を形成し、この
誘電体薄膜の上に上部電極を形成する薄膜コンデンサの
製造方法において、 該Si基板上に請求項1又は2に記載のBa1−xSr
xTiyO3薄膜形成用組成物を用いてBa1−xSr
xTiyO3誘電体薄膜を形成する方法であって、 該Ba1−xSrxTiyO3薄膜形成用組成物を基板
に塗布して乾燥する工程を所望の膜厚が得られるまで繰
り返し行った後、750℃以下の温度で焼成して結晶化
させることを特徴とする薄膜コンデンサの製造方法。 - 【請求項5】 請求項4において、焼成を電気炉中にて
30〜60分行うことを特徴とする薄膜コンデンサの製
造方法。 - 【請求項6】 請求項4において、焼成をRTA装置に
て1〜30分行うことを特徴とする薄膜コンデンサの製
造方法。
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JP05932696A Expired - Lifetime JP3446461B2 (ja) | 1995-06-09 | 1996-03-15 | Ba1−xSrxTiyO3薄膜形成用組成物、Ba1−xSrxTiyO3薄膜の形成方法及び薄膜コンデンサの製造方法 |
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1996
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