(57)【要約】【課題】従来の強誘電体薄膜と同等の誘電特性を備えつつ、更に高い寿命信頼性を備えるＰＺＴ系強誘電体薄膜及びその製造方法を提供する。【解決手段】結晶面が（１１１）軸方向に配向した下部電極を有する基板の下部電極上に形成されるＰＺＴ系強誘電体薄膜において、強誘電体薄膜が、下部電極上に形成されかつ（１１１）面に優先的に結晶配向が制御された層厚が４５ｎｍ〜２７０ｎｍの範囲内にある配向制御層と、配向制御層上に形成されかつ配向制御層の結晶配向と同じ結晶配向を有する膜厚調整層とを備え、配向制御層と膜厚調整層との間に界面を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶面が（１１１）軸方向に配向した下部電極を有する基板の前記下部電極上に形成されるＰＺＴ系強誘電体薄膜において、
前記強誘電体薄膜が、前記下部電極上に形成されかつ（１１１）面に優先的に結晶配向が制御された層厚が４５ｎｍ〜２７０ｎｍの範囲内にある配向制御層と、前記配向制御層上に形成されかつ前記配向制御層の結晶配向と同じ結晶配向を有する膜厚調整層とを備え、前記配向制御層と前記膜厚調整層との間に界面を有することを特徴とするＰＺＴ系強誘電体薄膜。
【請求項２】
前記配向制御層に存在する結晶粒の定方向最大径の平均値が２００ｎｍ〜５０００ｎｍの範囲内にある請求項１記載のＰＺＴ系強誘電体薄膜。
【請求項３】
前記配向制御層に存在する結晶粒の定方向最大径の平均値が２００ｎｍ未満の範囲内にある請求項１記載のＰＺＴ系強誘電体薄膜。
【請求項４】
前記下部電極上に粒径制御層を介して前記配向制御層が形成された請求項３記載のＰＺＴ系強誘電体薄膜。
【請求項５】
前記強誘電体薄膜の膜厚が１００ｎｍ〜５０００ｎｍの範囲内にある請求項１ないし４のいずれか１項に記載のＰＺＴ系強誘電体薄膜。
【請求項６】
前記強誘電体薄膜がキャパシタ用であってかつ前記強誘電体薄膜の膜厚が１００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内にある請求項３記載のＰＺＴ系強誘電体薄膜。
【請求項７】
前記強誘電体薄膜が圧電素子用であってかつ前記強誘電体薄膜の膜厚が１０００ｎｍ〜５０００ｎｍの範囲内にある請求項３記載のＰＺＴ系強誘電体薄膜。
【請求項８】
結晶面が（１１１）軸方向に配向した下部電極を有する基板の前記下部電極上に、ＰＺＴ系強誘電体薄膜形成用組成物を塗布し、仮焼成した後、本焼成して結晶化させることにより前記下部電極上にＰＺＴ系強誘電体薄膜を製造する方法において、
前記強誘電体薄膜形成用組成物の一部を前記下部電極上に塗布、仮焼成、本焼成して配向制御層を形成し、
前記強誘電体薄膜形成用組成物の残部を前記配向制御層上に塗布、仮焼成、本焼成して前記配向制御層の結晶配向と同じ結晶配向を有する膜厚調整層を形成し、
かつ前記配向制御層と前記膜厚調整層との間に界面を有するように前記配向制御層形成時の仮焼成と本焼成を制御し、
前記強誘電体薄膜形成用組成物の一部の塗布量を前記配向制御層の結晶化後の層厚が４５ｎｍ〜２７０ｎｍの範囲内になるように設定して前記配向制御層の優先的な結晶配向を（１１１）面にすることを特徴とするＰＺＴ系強誘電体薄膜の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載された方法により製造されたＰＺＴ系強誘電体薄膜を有する薄膜コンデンサ、キャパシタ、ＩＰＤ、不揮発性メモリ、ＤＲＡＭメモリ用コンデンサ、積層コンデンサ、トランジスタのゲート絶縁体、焦電型赤外線検出素子、圧電素子、電気光学素子、アクチュエータ、共振子、超音波モータ、又はＬＣノイズフィルタ素子の複合電子部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャパシタ、圧電素子等の電子部品に適用可能なＰＺＴ系強誘電体薄膜及びその製造方法に関し、更に詳細には寿命信頼性を改善したＰＺＴ系強誘電体薄膜及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子部品、電子デバイスの更なる縮小化の要求から、強誘電体薄膜をキャパシタ、圧電素子等の誘電体を適用して成る電子部品、電子デバイスに適用するための研究開発、実用化が進んでいる。中でも（１１１）面を優先的に結晶配向させた強誘電体薄膜は汎用性があり、基本的な誘電特性はもとより特に高い絶縁耐圧性に特徴があるとされている。ところで、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）はペロブスカイト構造を有し、優れた誘電特性を示す強誘電体である。このＰＺＴを誘電体薄膜材料とすれば優れた上記の電子部品、電子デバイスを得ることができる。
【０００３】
そこで、成膜プロセスが安価でありかつ基板内で均一な膜組成が得られるゾルゲル液を用いたＣＳＤ（Chemical Solution Deposition）法を適用して上記電子部品用のＰＺＴ系強誘電体薄膜を成膜することが実用化されている。一方、（１１１）面を優先的に結晶配向させた強誘電体薄膜はその汎用性から様々な分野、環境で使用されているため、更に高い寿命信頼性の改善が必要とされている。
【０００４】
そのため、従来より、ＰＺＴにＬａ、Ｎｂ等の元素を添加して寿命信頼性を改善する方法が提示されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。また、ＰＺＴ系強誘電体薄膜の膜組織に着目し、ＰＺＴ系強誘電体薄膜の微細組織を制御した構造を採用して寿命信頼性を改善する方法が提示されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−３３５５９６号公報
【特許文献２】特開２００９−１７０６９５号公報
【特許文献３】特開２０１２−９８００号公報（請求項１、段落［０００７］）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１〜３に提示されたＰＺＴ系強誘電体薄膜の寿命信頼性の改善方法によれば、上記の電子部品、電子デバイスの寿命をある程度長くすることができるけれども、従来のＰＺＴ系強誘電体薄膜と同等の誘電特性を維持しながら、更に高い寿命信頼性を確保する要請に応える必要がある。そこで、鋭意検討した結果、発明者らは本発明に到達した。
【０００７】
本発明の目的は、従来のＰＺＴ系強誘電体薄膜と同等の誘電特性を維持しつつ、更に高い寿命信頼性を備えるＰＺＴ系強誘電体薄膜及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の観点は、図１に示すように、結晶面が（１１１）軸方向に配向した下部電極１１を有する基板１０の下部電極１１上に形成されるＰＺＴ系強誘電体薄膜において、ＰＺＴ系強誘電体薄膜が、下部電極１１上に形成されかつ（１１１）面に優先的に結晶配向が制御された層厚が４５ｎｍ〜２７０ｎｍの範囲内にある配向制御層１２と、配向制御層１２上に形成されかつ配向制御層１２の結晶配向と同じ結晶配向を有する膜厚調整層１３とを備え、配向制御層１２と膜厚調整層１３との間に界面１４を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、更に配向制御層１２に存在する結晶粒の定方向最大径の平均値が２００ｎｍ〜５０００ｎｍの範囲内にあることを特徴とする。
【００１０】
本発明の第３の観点は、第１の観点に基づく発明であって、更に配向制御層１２に存在する結晶粒の定方向最大径の平均値が２００ｎｍ未満の範囲内にあることを特徴とする。
【００１１】
本発明の第４の観点は、第３の観点に基づく発明であって、下部電極１１上に粒径制御層１５を介して配向制御層１２が形成されたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の第５の観点は、第１ないし第４の観点に基づく発明であって、ＰＺＴ系強誘電体薄膜の膜厚が１００ｎｍ〜５０００ｎｍの範囲内にあることを特徴とする。
【００１３】
本発明の第６の観点は、第３の観点に基づく発明であって、ＰＺＴ系強誘電体薄膜がキャパシタ用であってかつＰＺＴ系強誘電体薄膜の膜厚が１００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内にあることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第７の観点は、第３の観点に基づく発明であって、ＰＺＴ系記強誘電体薄膜が圧電素子用であってかつＰＺＴ系強誘電体薄膜の膜厚が１０００ｎｍ〜５０００ｎｍの範囲内にあることを特徴とする。
【００１５】
本発明の第８の観点は、結晶面が（１１１）軸方向に配向した下部電極１１を有する基板１０の下部電極１１上に、ＰＺＴ系強誘電体薄膜形成用組成物を塗布し、仮焼成した後、本焼成して結晶化させることにより下部電極１１上にＰＺＴ系強誘電体薄膜を製造する方法において、ＰＺＴ系強誘電体薄膜形成用組成物の一部を下部電極１１上に塗布、仮焼成、本焼成して配向制御層１２を形成し、ＰＺＴ系強誘電体薄膜形成用組成物の残部を配向制御層１２上に塗布、仮焼成、本焼成して配向制御層１２の結晶配向と同じ結晶配向を有する膜厚調整層１３を形成し、かつ配向制御層１２と膜厚調整層１３との間に界面１４を有するように配向制御層１２形成時の仮焼成と本焼成を制御し、ＰＺＴ系強誘電体薄膜形成用組成物の一部の塗布量を配向制御層１２の結晶化後の層厚が４５ｎｍ〜２７０ｎｍの範囲内になるように設定して配向制御層１２の優先的な結晶配向を（１１１）面にすることを特徴とする。
【００１６】
本発明の第９の観点は、第８の観点の方法により製造されたＰＺＴ系強誘電体薄膜を有する薄膜コンデンサ、キャパシタ、ＩＰＤ、不揮発性メモリ、ＤＲＡＭメモリ用コンデンサ、積層コンデンサ、トランジスタのゲート絶縁体、焦電型赤外線検出素子、圧電素子、電気光学素子、アクチュエータ、共振子、超音波モータ、又はＬＣノイズフィルタ素子の複合電子部品を提供することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の第１の観点のＰＺＴ系強誘電体薄膜では、結晶面が（１１１）軸方向に配向した下部電極１１を有する基板１０の下部電極１１上に形成されるＰＺＴ系強誘電体薄膜において、ＰＺＴ系強誘電体薄膜が、下部電極１１上に形成されかつ（１１１）面に優先的に結晶配向が制御された層厚が４５ｎｍ〜２７０ｎｍの範囲内にある配向制御層１２と、配向制御層１２上に形成されかつ配向制御層１２の結晶配向と同じ結晶配向を有する膜厚調整層１３とを備え、配向制御層１２と膜厚調整層１３との間に界面１４を形成することで、ＰＺＴ系強誘電体薄膜の膜内に導入した界面が酸素欠陥の移動度を抑制するトラップとしての役割を果たす。これにより、酸素欠陥の移動度低下に伴うリーク電流最大値の遅延現象を生じさせることができ、高い寿命信頼性を備えることを可能とする。
【００１８】
本発明の第２の観点のＰＺＴ系強誘電体薄膜では、配向制御層１２に存在する結晶粒の定方向最大径の平均値が２００ｎｍ〜５０００ｎｍの範囲内にあることにより、更に高い寿命信頼性を備えることを可能とする。
【００１９】
本発明の第３の観点のＰＺＴ系強誘電体薄膜では、配向制御層１２に存在する結晶粒の定方向最大径の平均値が２００ｎｍ未満の範囲内にあることにより、微細で均一な結晶組織を備え、かつ高い寿命信頼性を備えることを可能とする。
【００２０】
本発明の第４の観点のＰＺＴ系強誘電体薄膜では、配向制御層１２に存在する結晶粒の定方向最大径の平均値が２００ｎｍ未満の範囲内にあるときに、下部電極１１上に粒径制御層１５を介して配向制御層１２が形成されることにより、微細で均一な結晶組織を備え、かつ高い寿命信頼性を備えることを可能とする。
【００２１】
これは、配向制御層１２の層厚が４５ｎｍ〜１５０ｎｍといったように薄いときに特に有効である。配向制御層１２の膜厚が薄いときには結晶核の発生密度が少なくなって結晶が異常粒成長し、均一な連続膜が得にくくなる不具合があった。しかし、粒径制御層１５を上記のように下部電極１１と配向制御層１２の間に形成させると上記の不具合を解決することができる。このように、配向制御層１２の層厚が薄い場合には界面１４の形成と共に粒径制御層１５を備えるようにすると、微細で均一な結晶組織を形成し、かつ界面１４の形成と相俟って高い寿命信頼性を備えることができる。
【００２２】
本発明の第５の観点のＰＺＴ系強誘電体薄膜では、前記強誘電体薄膜の膜厚が１００ｎｍ〜５０００ｎｍの範囲内にあるためＰＺＴ系強誘電体薄膜を備える電子デバイス、電子部品の用途に合わせてＰＺＴ系強誘電体薄膜を任意に調整することが可能となる。
【００２３】
本発明の第６の観点のＰＺＴ系強誘電体薄膜の全膜厚が１００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内にあるときにキャパシタ用として、ＰＺＴ系強誘電体薄膜を提供できる。
【００２４】
本発明の第７の観点のＰＺＴ系強誘電体薄膜の全膜厚が１０００ｎｍ〜５０００ｎｍの範囲内にあるときに圧電素子用として、ＰＺＴ系強誘電体薄膜を提供できる。
【００２５】
本発明の第８の観点のＰＺＴ系強誘電体薄膜の製造方法では、第１の観点のＰＺＴ系強誘電体薄膜を製造することができ、もって、ＰＺＴ系強誘電体薄膜が、下部電極１１上に形成されかつ（１１１）面に優先的に結晶配向が制御された層厚が４５ｎｍ〜２７０ｎｍの範囲内にある配向制御層１２と、配向制御層１２上に形成されかつ配向制御層１２の結晶配向と同じ結晶配向を有する膜厚調整層１３とを備え、配向制御層１２と膜厚調整層１３との間に界面１４を有するため、配向制御層１２と膜厚調整層１３との間に界面１４を形成することで、ＰＺＴ系強誘電体薄膜の膜内に導入した界面が酸素欠陥の移動度を抑制するトラップとしての役割を果たす。これにより酸素欠陥の移動度低下に伴うリーク電流最大値の遅延現象を生じさせることができ、更に高い寿命信頼性を備えるＰＺＴ系強誘電体薄膜を提供できる。
【００２６】
第８の観点のＰＺＴ系強誘電体薄膜の製造方法において、強誘電体薄膜形成用組成物の一部を下部電極１１上に塗布、仮焼成、本焼成して配向制御層１２を形成する前に、下部電極１１上に粒径制御層１５を形成するようにしてもよい。粒径制御層１５により、核の発生密度を高め、微細な結晶組織で（１１１）面に優先的に結晶配向が制御されたＰＺＴ系強誘電体薄膜を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のＰＺＴ系強誘電体薄膜並びに基板及び下部電極の断面構造の模式図である。
【図２】本発明の他のＰＺＴ系強誘電体薄膜並びに基板及び下部電極の断面構造の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明を実施するための形態を図面に基づいて以下説明する。
【００２９】
＜ＰＺＴ系強誘電体薄膜の構成＞
先ず、ＰＺＴ系強誘電体薄膜の構成を、図１を参照しながら説明する。本発明に係るＰＺＴ系強電体薄膜は、図１に示すように、結晶面が（１１１）軸方向に配向した下部電極１１を有する基板１０の下部電極１１上に、ＰＺＴ系強誘電体薄膜形成用組成物を塗布し、加熱して結晶化させることにより下部電極１１上に配向制御層１２と膜厚調整層１３を有するＰＺＴ系強誘電体薄膜の改良である。本発明の特徴ある構成は、配向制御層１２と膜厚調整層１３との間において界面１４を形成する点にある。
【００３０】
基板１０は、シリコン基板やサファイア基板などの耐熱性基板からなる。また、下部電極１１は、この基板１０上にＰｔやＩｒ、Ｒｕなどの導電性を有し、ＰＺＴ系強誘電体薄膜と反応しない材料をスパッタリング等により蒸着させて形成する。下部電極１１はその結晶面が（１１１）軸方向に配向している。
【００３１】
配向制御層１２は、上述した基板１０の結晶面が（１１１）軸方向に配向した下部電極１１上に形成されかつ（１１１）面に優先的に結晶配向が制御されたＰｂ含有ペロブスカイト型のＰＺＴ系強電体の層である。配向制御層１２は、結晶化後の層厚を４５ｎｍ〜２７０ｎｍの範囲内とする。配向制御層１２の結晶化後の層厚をこのような範囲内に規定すると（１１１）面に優先的に結晶配向が制御されたＰＺＴ系強誘電体薄膜を簡便に得ることができる。
配向制御層１２を（１１１）面に優先的に結晶配向させることができるのは、下部電極１１の（１１１）軸方向に依存して配向することによるものと推察される。配向制御層１２の結晶化後の層厚を４５ｎｍ〜２７０ｎｍとする理由は、４５ｎｍ未満では均一な連続膜が得にくくなる不具合があり、２７０ｎｍを超えると配向制御層１２を形成するプロセス時間が長くなる不具合があるからである。好ましくは４５ｎｍ〜２７０ｎｍである。
【００３２】
更に、配向制御層１２に存在する結晶粒の定方向最大径の平均値を、２００ｎｍ未満か或いは２００ｎｍ〜５０００ｎｍの範囲内とすることが好ましい。この理由は、当該平均値が５０００ｎｍを超えると均一な膜の作製が難しくなる不具合があるからである。好ましくは２００ｎｍ〜５０００ｎｍである。なお、配向制御層中に存在する結晶粒の定方向最大径の平均値は、強誘電体薄膜表面を走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope；以下、ＳＥＭという。）により撮影し、撮影したＳＥＭ像の任意の結晶粒子１００個に対して、結晶粒子径を定方向最大径（Krummbein径）にて測定し、その平均を算出することにより求められる値である。
【００３３】
膜厚調整層１３は、配向制御層１２の優先配向面に倣って、配向制御層１２と同じ傾向の結晶配向面が配向制御層１２の上に形成される。膜厚調整層１３の層厚を変えるとＰＺＴ系強誘電体薄膜の全膜厚を用途に応じて増減でき、配向制御層１２の優先配向面を（１１１）面とすることにより（１１１）面に優先的に結晶配向が制御されたＰＺＴ系強誘電体薄膜を作製することができる。膜厚調整層１３は、配向制御層１２と同様のＰｂ含有ペロブスカイト型のＰＺＴ系強誘電体の膜とする。膜厚調整層１３の層厚は５０００ｎｍ未満が好ましい。層厚が５０００ｎｍを超えるとプロセス時間が長くなるためである。更に本発明に係るＰＺＴ系強電体薄膜は、図２に示すように、配向制御層１２の層厚に実質的に一致する下部電極１１上から４５ｎｍ〜２７０ｎｍの位置に界面１４を形成すると共に、下部電極１１と配向制御層１２との間に粒径制御層１５を形成するようにすることもできる。この粒径制御層１５によって、配向制御層１２の層厚が４５ｎｍ〜１５０ｎｍ程度の薄い場合であっても、核の発生密度を高め、微細な結晶組織で（１１１）面に優先的に結晶配向が制御されたＰＺＴ系強誘電体薄膜を良好に製造することができる。
【００３４】
＜ＰＺＴ系強誘電体薄膜形成用原料＞
ＰＺＴ系強誘電体薄膜形成用原料として、先ず配向制御層１２及び膜厚調整層１３を形成用の原料を以下説明する。
【００３５】
係るＰＺＴ系強誘電体薄膜形成用組成物は、複合金属酸化物を構成するための原料が所望の金属原子比を与えるような割合となるように、有機溶媒中に溶解している有機金属化合物溶液によって調製される。製造するＰＺＴ系強誘電体薄膜はＰｂ含有ペロブスカイト型酸化物であることが好適であり、ＰＺＴ以外にＰＬＺＴ、ＰＭｎＺＴ、ＰＮｂＺＴなどが挙げられる。
【００３６】
複合金属酸化物原料は、Ｐｂ、Ｌａ、Ｚｒ及びＴｉの各金属元素に、有機基がその酸素又は窒素原子を介して結合している化合物が好適である。例えば、金属アルコキシド、金属ジオール錯体、金属トリオール錯体、金属カルボン酸塩、金属β−ジケトネート錯体、金属β−ジケトエステル錯体、金属β−イミノケト錯体、及び金属アミノ錯体からなる群より選ばれた１種又は２種以上が例示される。特に好適な化合物は、金属アルコキシド、その部分加水分解物、有機酸塩である。このうち、Ｐｂ化合物、Ｌａ化合物としては、酢酸塩（酢酸鉛：Ｐｂ(ＯＡｃ)2、酢酸ランタン：Ｌａ(ＯＡｃ）3）、鉛ジイソプロポキシド：Ｐｂ(ＯｉＰｒ)2、ランタントリイソプロポキシド：Ｌａ(ＯｉＰｒ）3などが挙げられる。Ｔｉ化合物としては、チタンテトラエトキシド：Ｔｉ(ＯＥｔ）4、チタンテトライソプロポキシド：Ｔｉ(ＯｉＰｒ）4、チタンテトラｎ−ブトキシド：Ｔｉ(ＯｉＢｕ）4、チタンテトライソブトキシド：Ｔｉ(ＯｉＢｕ）4、チタンテトラｔ−ブトキシド：Ｔｉ(ＯｔＢｕ）4、チタンジメトキシジイソプロポキシド：Ｔｉ(ＯＭｅ)2(ＯｉＰｒ)2などのアルコキシドが挙げられる。Ｚｒ化合物としては、上記Ｔｉ化合物と同様なアルコキシド類が好ましい。金属アルコキシドはそのまま使用しても良いが、分解を促進させるためにその部分加水分解物を使用しても良い。
【００３７】
これらの原料を用いたＰＺＴ系強誘電体薄膜形成用組成物の調製は以下のようになる。先ず所望のＰＺＴ系強誘電体薄膜組成に相当する比率で適当な溶媒に溶解して、塗布に適した濃度に調製する。この調製は、典型的には以下のような液合成フローにより前駆溶液となるＰＺＴ系強誘電体薄膜形成用組成物を得ることができる。反応容器に、Ｚｒ源（例えばＺｒテトラｎ−ブトキシド）と、Ｔｉ源（例えばＴｉイソプロポキシド）と、安定化剤（例えばアセチルアセトン）を入れて、窒素雰囲気中で還流する。その次に還流後の化合物にＰｂ源（例えば酢酸鉛三水和物）を添加するとともに、溶剤（例えばプロピレングリコール）を添加し、窒素雰囲気中で還流し、減圧蒸留して副生成物を除去した後、この溶液に更にプロピレングリコールを添加して濃度を調節し、更に、この溶液に１−ブタノールを添加する。この結果、当該ＰＺＴ系強誘電体薄膜形成用組成物を得る。
【００３８】
ここで用いる溶媒は、使用する原料に応じて適宜決定されるが、一般的には、カルボン酸、アルコール（例えば、多価アルコールであるプロピレングリコール）、エステル、ケトン類（例えば、アセトン、メチルエチルケトン）、エーテル類（例えば、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル）、シクロアルカン類（例えば、シクロヘキサン、シクロヘキサノール）、芳香族系（例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン）、その他テトラヒドロフランなど、或いはこれらの２種以上の混合溶媒を用いることができる。
【００３９】
カルボン酸としては、具体的には、ｎ−酪酸、α−メチル酪酸、ｉ−吉草酸、２−エチル酪酸、２，２−ジメチル酪酸、３，３−ジメチル酪酸、２，３−ジメチル酪酸，３−メチルペンタン酸、４−メチルペンタン酸、２−エチルペンタン酸、３−エチルペンタン酸、２，２−ジメチルペンタン酸、３，３−ジメチルペンタン酸、２，３−ジメチルペンタン酸、２−エチルヘキサン酸、３−エチルヘキサン酸を用いるのが好ましい。
【００４０】
また、エステルとしては、酢酸エチル、酢酸プロピル、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、酢酸イソアミルを用いるのが好ましく、アルコールとしては、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、イソ−ブチルアルコール、１−ペンタノール、２−ペンタノール、２−メチル−２−ペンタノール、２−メトキシエタノールを用いるのが好適である。
【００４１】
ＰＺＴ系強誘電体薄膜形成用組成物の有機金属化合物溶液中の有機金属化合物の合計濃度は、金属酸化物換算量で０．１〜２０質量％程度とすることが好ましい。
【００４２】
この有機金属化合物溶液中には、必要に応じて安定化剤として、β−ジケトン類（例えば、アセチルアセトン、ヘプタフルオロブタノイルピバロイルメタン、ジピバロイルメタン、トリフルオロアセチルアセトン、ベンゾイルアセトン等）、β−ケトン酸類（例えば、アセト酢酸、プロピオニル酢酸、ベンゾイル酢酸等）、β−ケトエステル類（例えば、上記ケトン酸のメチル、プロピル、ブチル等の低級アルキルエステル類）、オキシ酸類（例えば、乳酸、グリコール酸、α−オキシ酪酸、サリチル酸等）、上記オキシ酸の低級アルキルエステル類、オキシケトン類（例えば、ジアセトンアルコール、アセトイン等）、ジオール、トリオール、高級カルボン酸、アルカノールアミン類（例えば、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、モノエタノールアミン）、多価アミン等を、（安定化剤分子数）／（金属原子数）で０．２〜３程度添加しても良い。
【００４３】
ＰＺＴ系強誘電体薄膜形成用組成物はβ−ジケトン類及び多価アルコール類を含んでいることが好適である。このうち、β−ジケトン類としてはアセチルアセトンが、多価アルコール類としてはプロピレングリコールが特に好ましい。
【００４４】
尚、上記調製された有機金属化合物溶液を濾過処理等によって当該溶液に内在しうるパーティクルを必要に応じて除去するようにしてもよい。これは有機金属化合物溶液の長期保存安定性を確保するためである。
【００４５】
また図２に示すように下部電極１１と配向制御層１２との間に粒径制御層１５を形成してもよい。この粒径制御層１５を形成するための組成物原料は、チタン酸鉛、チタン酸ジルコニウム酸鉛、ジルコニウム酸鉛等を含むようにする。そして、基本的には配向制御層１２や膜厚調整層１３用のＰＺＴ系強誘電体薄膜形成用組成物溶液と同様な上記の方法で溶液を調製する。例えば、配向制御層１２を形成するための組成物の原料が１０質量％のＰＺＴ系強誘電体溶液であって、Ｐｂ／Ｚｒ／Ｔｉが１１０／５２／４８のものであるとき、粒径制御層１５の原料は、２質量％のＰｂとＴｉを含む強誘電体溶液であって、Ｐｂ／Ｔｉが１２５／１００のものとすることができる。この粒径制御層１５を上述した組成物の溶液で作ることにより、得られるＰＺＴ系強誘電体薄膜の平均結晶粒が２００ｎｍ未満に制御された微細な結晶組織を持つＰＺＴ系強誘電体薄膜を製造することができる。
【００４６】
＜ＰＺＴ系強誘電体薄膜の成膜方法＞
次に、上記調製された本実施形態に係るＰＺＴ系強誘電体薄膜形成用組成物を含む溶液を用いて、配向制御層１２及び膜厚制御層１３の基板１０の下部電極１１上への塗布、仮焼成、本焼成によるＰＺＴ系強誘電体薄膜の成膜方法を以下説明する。
【００４７】
先ず、配向制御層１２は、当該調製されたＰＺＴ系強誘電体薄膜形成用組成物を含む溶液をスピンコート、ディップコート、ＬＳＭＣＤ（Liquid Source Misted Chemical Deposition）法等の塗布法を用いて下部電極１１上に塗布し、ホットプレートなどを用いて乾燥・仮焼成を行い、本焼成後に４５ｎｍ〜２７０ｎｍの層厚となるようにゲル膜を形成し、その後に本焼成することにより形成される。
【００４８】
次に、上記配向制御層１２上に、膜厚調整層１３を以下のように形成する。同溶液を上記と同様の塗布法を用いて塗布し、ホットプレートなどを用いて乾燥・仮焼成を行い、塗布から乾燥・仮焼成までの工程を繰り返して、所望の範囲内の層厚のゲル膜を形成してから、一括で本焼成することにより、若しくは必要な全膜厚に応じて、この塗布から本焼成までの工程を繰り返すことにより形成される。例えば、図１又は図２の概略断面図では、３本の点線部があるが、１本の点線部は塗布から乾燥・仮焼成までの工程の１回分に相当する。即ち図１の膜厚調整層３は塗布から乾燥・仮焼成までの工程を４回繰り返したものを例示するものである。膜厚調整層３によりＰＺＴ系強誘電体薄膜の全膜厚が調整されるが、同薄膜の用途、例えばキャパシタ用若しくは圧電素子用であるかに応じて膜厚調整層３の層厚を調整するようにする。
【００４９】
次に、配向制御層１２及び膜厚制御層１３に共通する乾燥・仮焼成、本焼成について以下説明する。
【００５０】
乾燥・仮焼成は、溶媒を除去するとともに有機金属化合物を熱分解又は加水分解して複合酸化物に転化させるために行う。そのため、空気中、酸化雰囲気中、又は含水蒸気雰囲気中で行うようにする。空気中での加熱でも、加水分解に必要な水分は空気中の湿気により十分に確保される。この加熱は、溶媒の除去のための低温加熱と、有機金属化合物の分解のための高温加熱の２段階で実施しても良い。乾燥・仮焼成は、処理温度は１５０℃〜５５０℃、処理時間は１分間〜１０分間程度行われる。
【００５１】
本焼成は、乾燥・仮焼成で得られた薄膜を結晶化温度以上の温度で加熱して結晶化させるための工程であり、これによりＰＺＴ系強誘電体薄膜が得られる。この結晶化工程の焼成雰囲気はＯ2、Ｎ2、Ａｒ、Ｎ2Ｏ又はＨ2等或いはこれらの混合ガス等が好適である。
【００５２】
本焼成は処理温度４５０〜８００℃で処理時間１〜６０分間程度行われる。本焼成は、急速加熱処理［ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）処理］で行ってもよい。ＲＴＡ処理で本焼成する場合、その昇温速度を１０℃／秒〜１００℃／秒とすることが好ましい。
【００５３】
本発明の特徴とする界面１４は、上述した、配向制御層１２が形成される工程と膜厚調整層１３が形成される工程の間で形成される。この界面１４の存在により、より高い寿命信頼性を備えるようになる。これは、ＰＺＴ系強誘電体薄膜の膜内に導入した界面が酸素欠陥の移動度を抑制するトラップとしての役割を果たし、酸素欠陥の移動度低下に伴うリーク電流最大値の遅延現象を生じさせるため高い寿命信頼性を備えるものになると推察される。
【００５４】
更に、図２に示される下部電極１１と配向制御層１２との間に粒径制御層１５を成膜する方法を説明する。配向制御層１２を形成するのと同様に、（１１１）軸方向に配向した下部電極１１の上に、粒径制御層１５用組成物をスピンコート、ディップコート、ＬＳＭＣＤ法等の塗布法を用いて塗布し、ホットプレートなどを用いて大気雰囲気中、１５０〜５５０℃、１〜１０分間乾燥・仮焼成を行い、塗布から乾燥・仮焼成までの工程を繰り返して、所望の範囲内の膜厚のゲル膜を形成することにより得られる。この粒径制御層１５の上に、上述した配向制御層１２を上述したように成膜すればよい。粒径制御層１５の層厚は１ｎｍ〜１０ｎｍとすることが好ましい。粒径制御層１５は１０ｎｍを超える場合には核の発生密度が向上せず、結果として微細な結晶組織が得られないからである。
【００５５】
以上のようにして製造されるＰＺＴ系強誘電体は、キャパシタ用としては、その全膜厚が１００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内にすることが好ましい。この範囲の理由は、１００ｎｍ未満であるとＰＺＴ系強誘電体薄膜の絶縁耐圧性が低下する不具合があり、５００ｎｍを超えたものであるとキャパシタとしての静電容量が低下する不具合があるからである。また同様にして製造されるＰＺＴ系強誘電体は、圧電素子用としては、その全膜厚が１０００ｎｍ〜５０００ｎｍの範囲内にすることが好ましい。この範囲の理由は、１０００ｎｍ未満であると圧電素子として必要な圧電駆動力を確保できない不具合があり、５０００ｎｍを超えたものであるとプロセス時間が長くなる不具合があるからである。
【００５６】
以上、本実施形態で述べたように、本発明のＰＺＴ系強誘電体薄膜は、従来のＰＺＴ系強誘電体薄膜と同等の誘電特性を維持しながら、更に高い寿命信頼性を確保することができる。
【００５７】
また、本発明の強誘電体薄膜は、薄膜コンデンサ、キャパシタ、ＩＰＤ、ＤＲＡＭメモリ用コンデンサ、積層コンデンサ、トランジスタのゲート絶縁体、不揮発性メモリ、焦電型赤外線検出素子、圧電素子、電気光学素子、アクチュエータ、共振子、超音波モータ、又はＬＣノイズフィルタ素子の複合電子部品の構成材料として好適に使用することができる。
【実施例】
【００５８】
次に、本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
【００５９】
先ず、実施例及び比較例で共通するＰＺＴ系強誘電体組成物の溶液の調製について言及する。反応容器にジルコニウムテトラｎ−ブトキシドと安定化剤としてアセチルアセトンを添加し、窒素雰囲気下、１５０℃の温度で還流した。これにチタンテトライソプロポキシドと安定化剤としてアセチルアセトンを添加し、窒素雰囲気下、１５０℃の温度で還流した。次いで、これに酢酸鉛三水和物と溶媒としてプロピレングリコールを添加し、窒素雰囲気下、１５０℃の温度で還流した。その後、１５０℃で減圧蒸留して副生成物を除去し、更に、稀釈アルコールを添加することで、Ｐｂ/Ｚｒ/Ｔｉ組成比が１１０/５２/４８の金属化合物を酸化物換算で所望の濃度を含有するように調整されたＰＺＴ系強誘電体組成の溶液を得た。
【００６０】
同様に、実施例で共通する粒径制御層用の強誘電体組成物の溶液の調製について言及する。反応容器にチタンテトライソプロポキシドと安定化剤としてアセチルアセトンを添加し、窒素雰囲気下、１５０℃の温度で還流した。次いで、これに酢酸鉛三水和物と溶媒としてプロピレングリコールを添加し、窒素雰囲気下、１５０℃の温度で還流した。その後、１５０℃で減圧蒸留して副生成物を除去し、更に、稀釈アルコールを添加することで、Ｐｂ/Ｔｉ組成比が１２５/１００の金属化合物を酸化物換算で２質量％濃度含有するように調整された粒径制御層用の強誘電体組成物の溶液を得た。
【００６１】
＜実施例１＞
基板として、表面にスパッタリング法にてＰｔ下部電極膜を形成したシリコン基板を用意した。この基板のＰｔ下部電極膜１１上に、スピンコート法により、５００ｒｐｍで３秒間、その後２０００ｒｐｍで２０秒間の条件で、上記調整した１２質量％濃度の配向制御層１２用のＰＺＴ系強誘電体組成物を塗布した（以下「配向制御層塗布段階」とする）。続いて、ホットプレートを用い、大気雰囲気中、３５０℃で５分間加熱して乾燥・仮焼成を行った（以下「配向制御層仮焼成段階」とする）。この配向制御層用のＰＺＴ系強誘電体組成物の塗布、仮焼成の工程を２回繰り返した後、昇温速度１０℃／秒で酸素雰囲気中７００℃、１分間加熱する本焼成を行って結晶化させ、層厚１５０ｎｍの配向制御層１２を得た（以下「配向制御層本焼成段階」）。次に、配向制御層１２上に、スピンコート法により、５００ｒｐｍで３秒間、その後３０００ｒｐｍで１５秒間の条件で、上記調製した１０質量％濃度の膜厚調整層１３用のＰＺＴ系強誘電体組成物を塗布した（以下「膜厚調整層塗布段階」）。続いて、ホットプレートを用い、大気雰囲気中、３５０℃で５分間加熱して乾燥・仮焼成を行った（膜厚調整層仮焼成段階）。この膜厚調整層１３用のＰＺＴ系強誘電体組成物の塗布、仮焼成の工程を３回繰り返した後、昇温速度１０℃／秒で酸素雰囲気中７００℃、１分間加熱する本焼成を行って結晶化させ、層厚１３５ｎｍの膜厚調整層１３を得た（以下「膜厚調整層本焼成段階」）。このようにして全膜厚２８５ｎｍのＰＺＴ系強誘電体薄膜を作製した。
【００６２】
＜実施例２＞
配向制御層塗布段階では、５００ｒｐｍで３秒間、その後２０００ｒｐｍで２０秒間の条件で、上記調整した１２質量％濃度の配向制御層用のＰＺＴ系強誘電体組成物を塗布した。配向制御層仮焼成段階では、３５０℃で５分間の乾燥・仮焼成条件とした。上記配向制御層塗布段階及び配向制御層仮焼成段階を１回だけ行った。以上により層厚７５ｎｍの配向制御層１２を得た。膜厚調整層塗布段階では、５００ｒｐｍで３秒間、その後３０００ｒｐｍで１５秒間の塗布条件とした。膜厚調整層仮焼成段階では３５０℃で５分間の乾燥・仮焼成条件とした。上記膜厚調整層塗布段階及び膜厚調整層仮焼成段階を５回繰り返した。以上により層厚２２５ｎｍの膜厚調整層１３を得た。これ以外は実施例１と同様にして全膜厚３００ｎｍのＰＺＴ系強誘電体薄膜を作製した。
【００６３】
＜実施例３＞
配向制御層塗布段階では、５００ｒｐｍで３秒間、その後３０００ｒｐｍで１５秒間の条件で、上記調整した１０質量％濃度の配向制御層用のＰＺＴ系強誘電体組成物を塗布した。配向制御層仮焼成段階では、３５０℃で５分間の乾燥・仮焼成条件とした。上記配向制御層塗布段階及び配向制御層仮焼成段階を１回だけ行った。以上により層厚４５ｎｍの配向制御層１２を得た。膜厚調整層塗布段階では、５００ｒｐｍで３秒間、その後３０００ｒｐｍで１５秒間の塗布条件とした。膜厚調整層仮焼成段階では、３５０℃で５分間の乾燥・仮焼成条件とした。上記膜厚調整層塗布段階及び膜厚調整層仮焼成段階を５回繰り返した。以上により層厚２２５ｎｍの膜厚調整層１３を得た。これ以外は実施例１と同様にして全膜厚２７０ｎｍのＰＺＴ系強誘電体薄膜を作製した。
【００６４】
＜実施例４＞
配向制御層塗布段階の前に、Ｐｔ下部電極膜１１上に、スピンコート法により、５００ｒｐｍで３秒間、その後２０００ｒｐｍで２０秒間、粒径制御層用の強誘電体組成物を塗布した（実施例５、７において同様に「粒径制御層塗布段階」とする）。粒径制御層用の強誘電体組成物は上記のように調製したものを用いた。以上により層厚５ｎｍの粒径制御層１５を得た。これに配向制御層１２を成膜した。配向制御層塗布段階では、５００ｒｐｍで３秒間、その後２０００ｒｐｍで２０秒間の条件で、上記調整した１２質量％濃度の配向制御層用のＰＺＴ系強誘電体組成物を塗布した。配向制御層仮焼成段階では、３５０℃で５分間の乾燥・仮焼成条件とした。上記配向制御層塗布段階及び配向制御層仮焼成段階を１回だけ行った。以上により層厚７５ｎｍの配向制御層１２を得た。膜厚調整層塗布段階では、５００ｒｐｍで３秒間、その後３０００ｒｐｍで１５秒間の条件で、上記調整した１０質量％濃度の配向制御層用のＰＺＴ系強誘電体組成物を塗布した。膜厚調整層仮焼成段階では、３５０℃で５分間の乾燥・仮焼成条件とした。上記膜厚調整層塗布段階及び膜厚調整層仮焼成段階を５回繰り返した。以上により層厚２２５ｎｍの膜厚調整層１３を得た。これ以外は実施例１と同様にして全膜厚３０５ｎｍのＰＺＴ系強誘電体薄膜を作製した。
【００６５】
＜実施例５＞
粒径制御層塗布段階では、５００ｒｐｍで３秒間、その後２０００ｒｐｍで２０秒間の塗布条件とした。これにより層厚５ｎｍの粒径制御層１５を得た。配向制御層塗布段階では、５００ｒｐｍで３秒間、その後３０００ｒｐｍで１５秒間の条件で、上記調整した１０質量％濃度の配向制御層用のＰＺＴ系強誘電体組成物を塗布した。配向制御層仮焼成段階では、３５０℃で５分間の乾燥・仮焼成条件とした。上記配向制御層塗布段階及び配向制御層仮焼成段階を２回繰り返した。以上により層厚９０ｎｍの配向制御層１２を得た。膜厚調整層塗布段階では、５００ｒｐｍで３秒間、その後３０００ｒｐｍで１５秒間の条件で、上記調整した１０質量％濃度の配向制御層用のＰＺＴ系強誘電体組成物を塗布した。膜厚調整層仮焼成段階では、３５０℃で５分間の乾燥・仮焼成条件とした。上記膜厚調整層塗布段階及び膜厚調整層仮焼成段階を４回繰り返した。以上により層厚１８０ｎｍの膜厚調整層１３を得た。これ以外は実施例４と同様にして全膜厚２７５ｎｍのＰＺＴ系強誘電体薄膜を作製した。
【００６６】
＜比較例１＞
配向制御層塗布段階では、５００ｒｐｍで３秒間、その後３０００ｒｐｍで１５秒間の条件で、上記調整した１０質量％濃度の配向制御層用のＰＺＴ系強誘電体組成物を塗布した。配向制御層仮焼成段階では、３５０℃で５分間の乾燥・仮焼成条件とした。上記配向制御層塗布段階及び配向制御層仮焼成段階を６回繰り返した。以上により層厚２７０ｎｍの配向制御層１２を得た。これ以外は実施例１と同様にして全膜厚２７０ｎｍのＰＺＴ系強誘電体薄膜を作製した。尚、比較例１の同薄膜には膜厚制御層１２はなく、即ち界面１４はない。実施例１〜５及び比較例１のＰＺＴ系強誘電体薄膜について表１にそれぞれ示す。またこれらのＰＺＴ系強誘電体薄膜を比較する試験を比較試験１とする。
【００６７】
【表１】
2013211329.tif 000003
＜実施例６＞
配向制御層塗布段階では、５００ｒｐｍで３秒間、その後２０００ｒｐｍで２０秒間の条件で、上記調整した１２質量％濃度の配向制御層用のＰＺＴ系強誘電体組成物を塗布した。配向制御層仮焼成段階では、３５０℃で５分間の乾燥・仮焼成条件とした。上記配向制御層塗布段階及び配向制御層仮焼成段階を１回だけ行った。以上により層厚７５ｎｍの配向制御層１２を得た。膜厚調整層塗布段階では、５００ｒｐｍで３秒間、その後３０００ｒｐｍで１５秒間の条件で、上記調整した１０質量％濃度の配向制御層用のＰＺＴ系強誘電体組成物を塗布した。膜厚調整層仮焼成段階では、３５０℃で５分間の乾燥・仮焼成条件とした。上記の膜厚調整層塗布段階及び膜厚調整層仮焼成段階を１回だけ行った。以上により層厚４５ｎｍの膜厚調整層１３を得た。これ以外は実施例１と同様にして全膜厚１２０ｎｍのＰＺＴ系強誘電体薄膜を作製した。
【００６８】
＜実施例７＞
粒径制御層塗布段階では、５００ｒｐｍで３秒間、その後２０００ｒｐｍで２０秒間の塗布条件とした。これにより層厚５ｎｍの粒径制御層１５を得た。配向制御層塗布段階では、５００ｒｐｍで３秒間、その後３０００ｒｐｍで１５秒間の条件で、上記調整した１０質量％濃度の配向制御層用のＰＺＴ系強誘電体組成物を塗布した。配向制御層仮焼成段階では、３５０℃で５分間の乾燥・仮焼成条件とした。上記配向制御層塗布段階及び配向制御層仮焼成段階を２回繰り返した。以上により層厚９０ｎｍの配向制御層１２を得た。膜厚調整層塗布段階では、５００ｒｐｍで３秒間、その後３０００ｒｐｍで１５秒間の塗布条件とした。膜厚調整層仮焼成段階では、３５０℃で５分間の乾燥・仮焼成条件とした。上記の膜厚調整層塗布段階及び膜厚調整層仮焼成段階を１回だけ行った。以上により層厚４５ｎｍの膜厚調整層１３を得た。これ以外は実施例４と同様にして全膜厚１３５ｎｍのＰＺＴ系強誘電体薄膜を作製した。
【００６９】
＜比較例２＞
配向制御層塗布段階では、５００ｒｐｍで３秒間、その後２０００ｒｐｍで２０秒間の条件で、上記調整した１２質量％濃度の配向制御層用のＰＺＴ系強誘電体組成物を塗布した。配向制御層仮焼成段階では、３５０℃で５分間の乾燥・仮焼成条件とした。上記配向制御層塗布段階及び配向制御層仮焼成段階を２回繰り返した。以上により層厚１５０ｎｍの配向制御層１２を得た。これ以外は実施例１と同様にして全膜厚１５０ｎｍのＰＺＴ系強誘電体薄膜を作製した。尚、比較例２の同薄膜には膜厚制御層１３はなく、即ち界面１４はない。
【００７０】
＜比較例３＞
配向制御層塗布段階では、５００ｒｐｍで３秒間、その後３０００ｒｐｍで１５秒間の条件で、上記調整した１０質量％濃度の配向制御層用のＰＺＴ系強誘電体組成物を塗布した。配向制御層仮焼成段階では、３５０℃で５分間の乾燥・仮焼成条件とした。上記配向制御層塗布段階及び配向制御層仮焼成段階を３回繰り返した。以上により層厚１３５ｎｍの配向制御層１２を得た。これ以外は実施例１と同様にして全膜厚１３５ｎｍのＰＺＴ系強誘電体薄膜を作製した。尚、比較例３の同薄膜には膜厚制御層１３はなく、即ち界面１４はない。
【００７１】
実施例６、７及び比較例２、３のＰＺＴ系強誘電体薄膜について表２にそれぞれ示す。またこれらのＰＺＴ系強誘電体薄膜を比較する試験を比較試験２とする。
【００７２】
【表２】
2013211329.tif 000004
＜実施例８＞
配向制御層塗布段階では、５００ｒｐｍで３秒間、その後２０００ｒｐｍで２０秒間の条件で、上記調整した１２質量％濃度の配向制御層用のＰＺＴ系強誘電体組成物を塗布した。配向制御層仮焼成段階では、３５０℃で５分間の乾燥・仮焼成条件とした。上記配向制御層塗布段階及び配向制御層仮焼成段階を１回だけ行った。以上により層厚７５ｎｍの配向制御層１２を得た。膜厚調整層塗布段階では、５００ｒｐｍで３秒間、その後３０００ｒｐｍで１５秒間の塗布条件とした。膜厚調整層仮焼成段階では、３５０℃で５分間の乾燥・仮焼成条件とした。上記膜厚調整層塗布段階及び膜厚調整層仮焼成段階を６回繰り返した後、昇温速度１０℃／秒で酸素雰囲気中７００℃、１分間加熱する本焼成を行って結晶化させ、層厚２７０ｎｍの結晶層を得た。この結晶層を作製する工程を１８回繰り返した後、再び上記配向制御層塗布段階及び配向制御層仮焼成段階を１回だけ行った後、昇温速度１０℃／秒で酸素雰囲気中７００℃、１分間加熱する本焼成を行って結晶化させた。以上により層厚４９０５ｎｍの膜厚調整層１３を得た。これ以外は実施例１と同様にして全膜厚４９８０ｎｍのＰＺＴ系強誘電体薄膜を作製した。
＜実施例９＞
配向制御層塗布段階では、５００ｒｐｍで３秒間、その後３０００ｒｐｍで１５秒間の条件で、上記調整した１０質量％濃度の配向制御層用のＰＺＴ系強誘電体組成物を塗布した。配向制御層仮焼成段階では、３５０℃で５分間の乾燥・仮焼成条件とした。上記配向制御層塗布段階及び配向制御層仮焼成段階を６回繰り返した。以上により層厚２７０ｎｍの配向制御層１２を得た。膜厚調整層塗布段階では、５００ｒｐｍで３秒間、その後３０００ｒｐｍで１５秒間の塗布条件とした。膜厚調整層仮焼成段階では、３５０℃で５分間の乾燥・仮焼成条件とした。上記膜厚調整層塗布段階及び膜厚調整層仮焼成段階を６回繰り返した後、昇温速度１０℃／秒で酸素雰囲気中７００℃、１分間加熱する本焼成を行って結晶化させ、層厚２７０ｎｍの結晶層を得た。この結晶層を作製する工程を１７回繰り返した後、再び上記配向制御層塗布段階及び配向制御層仮焼成段階を３回繰り返した後、昇温速度１０℃／秒で酸素雰囲気中７００℃、１分間加熱する本焼成を行って結晶化させた。以上により層厚４７２５ｎｍの膜厚調整層１３を得た。これ以外は実施例１と同様にして全膜厚４９９５ｎｍのＰＺＴ系強誘電体薄膜を作製した。
【００７３】
実施例８、９のＰＺＴ系強誘電体薄膜について表３にそれぞれ示す。またこれらのＰＺＴ系強誘電体薄膜を比較する試験を比較試験３とする。
【００７４】
【表３】
2013211329.tif 000005
＜比較試験＞
上記の実施例１〜９、比較例１〜３のＰＺＴ系強誘電体薄膜を比較する試験を以下のように行った。
【００７５】
先ず、ＳＥＭ（Hitachi Science System社製S-4300SE、分解能１．５ｎｍ）を用い、加速電圧１５ｋＶ、倍率１万倍〜１０万倍でＰＺＴ系強誘電体薄膜を断面から観察し、配向制御層と膜厚調製層との間に界面が存在することを確認するとともに、配向制御層及び膜厚調製層の層厚並びにＰＺＴ系強誘電体薄膜の全膜厚を測定した。また、ＰＺＴ系強誘電薄膜の優先配向面の結晶方向をＸ線回折装置（BrukerAXS社製 MXP18VAHF）を用い測定した。また、ＰＺＴ系強誘電薄膜の上面をＳＥＭ（同Hitachi Science System社製S-4300SE）により撮影し、撮影したＳＥＭ像の中で任意の結晶粒子１００個に対して、結晶粒子径を定方向最大径（Krummbein径）にて測定し、その平均をＰＺＴ系強誘電薄膜の粒径とした。
【００７６】
また、実施例１〜９、比較例１〜３で得られたＰＺＴ系強誘電体薄膜の上に、ドット状（面積：３．５×１０-2ｍｍ2）のＰｔ薄膜をスパッタリング法にて成膜し上部Ｐｔ電極を形成して同一基板上に複数のキャパシタ構造を形成した後、酸素雰囲気中７００℃で１分間再加熱を行った。こうして得られた薄膜キャパシタについての寿命特性評価を、通常使用される条件よりも高負荷（高温・高電圧）な環境下に曝した加速試験（ＨＡＬＴ：highly accelerated lifetime testing）により行った。先ず、薄膜キャパシタの上部Ｐｔ電極と下部Ｐｔ電極とを電気的に接続した。次に、実施例１〜７、比較例１〜３の薄膜キャパシタを１６０℃まで加熱した状態で１４Ｖの電圧  を印加しながら、並びに、実施例８、９の薄膜キャパシタを２２５℃まで加熱した状態で１００Ｖの電圧を印加しながら、電圧印加時間と各キャパシタに流れるリーク電流値を計測した。
【００７７】
時間が経過するとキャパシタ劣化に伴う絶縁破壊が生じ、リーク電流が急激に増大する様子が確認される。このときの測定データから各キャパシタが絶縁破壊に至るまでの時間を読み取った（ＴＤＤＢ［time-dependent dielectric breakdown、経時絶縁破壊］評価）。具体的には、リーク電流値が１００μＡを超えた時点で絶縁破壊が起きたとみなし、複数の絶縁破壊時間データに対してWeibull分布解析による統計処理を行い、キャパシタ全数の６３．２％が絶縁破壊した時間を平均破壊時間（mean time to failure；以下、ＭＴＦという。）とした（特許文献３の段落００３３〜００３８参照）。上記のように加熱温度と印加電圧を２通りとしたのは、全膜厚に関し、実施例１〜７、比較例１〜３（グループ１とする）が１２０ｎｍ〜３０５ｎｍに対し、実施例８、９（グループ２とする）が５０００ｎｍ弱のものであり、両グループ間で全膜厚に大きな差があり、グループ１に対してグループ２の加速条件を厳しくしないとグループ２の薄膜キャパシタは破壊モードに至りにくく加速試験として意味をなさないからである。
【００７８】
表１〜３の最右欄の比誘電率は、各実施例、各比較例で試験した、ＰＺＴ系強誘電体薄膜の上面と下面に備わるＰｔ上部電極とＰｔ下部電極間にてＣ−Ｖ特性（静電容量の電圧依存性）を周波数１ｋＨｚにて−５〜５Ｖの範囲で評価し、静電容量の最大値より算出した初期の比誘電率である。いずれの間にも顕著な有意差はなかった。なお、Ｃ‐Ｖ特性の測定にはＬＣＲメーター（Hewlett-Packard社製4284A）を用い、Bias step ０．１Ｖ、Frequency １ｋＨｚ、OSC level ３０ｍＶ、Delay time ０．２ｓｅｃ、Temperature ２３℃、Hygrometry ５０±１０％の条件で測定した。
＜比較試験１の評価＞
表１を参照し、比較試験１について以下評価を行う。比較試験１では全膜厚を３００ｎｍ前後（２７５ｎｍ〜３０５ｎｍ）としかつ（１１１）面に優先的に結晶配向が制御されたＰＺＴ膜を比較した。比較例１のＰＺＴ膜には界面１４がない。
【００７９】
界面１４のある実施例１〜５のＰＺＴ膜はいずれも界面１４のない比較例１のＰＺＴ膜よりも寿命が長い（寿命信頼性が高い）ことがＭＴＦ値から分かった。さらに、粒径が２００ｎｍ未満である実施例４、５のＰＺＴ膜よりも、粒径が２００ｎｍ以上である実施例１〜３のＰＺＴ膜の方がより寿命が長いことが分かった。
＜比較試験２の評価＞
表２を参照し、比較試験２について以下評価を行う。比較試験２では全膜厚を１３５ｎｍ前後（１２０ｎｍ〜１５０ｎｍ）としかつ（１１１）面に優先的に結晶配向が制御されたＰＺＴ膜を比較した。全膜厚は比較試験１のものの約１／２であり比較的薄い。比較例２、３には界面１４がない。
【００８０】
比較試練１と同様に、比較試験２では、界面１４のある実施例６、７のＰＺＴ膜はいずれも界面１４のない比較例２、３のＰＺＴ膜よりも寿命が長い（寿命信頼性が高い）ことがＭＴＦ値から分かった。さらに、粒径が２００ｎｍ未満（５０ｎｍ）である実施例７のＰＺＴ膜よりも、粒径が２００ｎｍ以上（４００ｎｍ）である実施例６のＰＺＴ膜の方がより寿命が長いことが分かった。
＜比較試験３の評価＞
表３を参照し、比較試験３について以下評価を行う。比較試験３では全膜厚を５０００ｎｍ弱程度としかつ（１１１）面に優先的に結晶配向が制御されたＰＺＴ膜を比較した。いずれも界面１４があるＰＺＴ膜である。粒径が２００ｎｍ未満（５０ｎｍ）である実施例９のＰＺＴ膜よりも、粒径が２００ｎｍ以上（４００ｎｍ）である実施例８のＰＺＴ膜の方がより寿命が長いことが分かった。ここで、実施例９のＰＺＴ膜は粒径が５０ｎｍと小さくなっている。これは、配向制御層の層厚が２７０ｎｍと比較的厚いためである。
＜総合評価＞
以上の評価結果から、本発明に係るＰＺＴ系強誘電体薄膜及びその製造方法によれば、（１１１）面に優先的に結晶配向が制御された層厚が４５ｎｍ〜２７０ｎｍの範囲内にある配向制御層と、配向制御層の結晶配向と同じ結晶配向を有する膜厚調整層を含むようにし、かつ配向制御層と膜厚調整層との間に界面を形成すると、従来の強誘電体薄膜と同等の誘電特性を備えつつ、更に高い寿命信頼性を備えるＰＺＴ系強誘電体薄膜を提供することができることが分かった。
【００８１】
さらに、上記の配向制御層、膜厚調整層、界面を含むようにした上で、粒径制御層を介して配向制御層を形成するなどして粒径が２００ｎｍ未満となるようにすると、微細で均一な結晶組織を備え、かつ高い寿命信頼性を備えるＰＺＴ系強誘電体薄膜を提供することができることが分かった。一方で、上記の配向制御層、膜厚調整層、界面を含むようにした上で、粒径が２００ｎｍ〜５０００ｎｍとなるようにすると、より高い寿命信頼性を備えるＰＺＴ系強誘電体薄膜を提供することができることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明のＰＺＴ系強誘電体薄膜及びその製造方法は、より高い寿命信頼性が要求される、ＰＺＴ系強誘電体薄膜を含む薄膜コンデンサ、キャパシタ、ＩＰＤ、ＤＲＡＭメモリ用コンデンサ、積層コンデンサ、圧電素子等の電子部品や電子デバイスに利用できる。
【符号の説明】
【００８３】
１０  基板
１１  下部電極
１２  配向制御層
１３  膜厚調整層
１４  界面
１５  粒界制御層
【図１】
2013211329.tif 000006
【図２】
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