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JP7569698B2 - Metal oxynitride thin film and capacitor element - Google Patents
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JP7569698B2 - Metal oxynitride thin film and capacitor element - Google Patents

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JP7569698B2 JP2021010987A JP2021010987A JP7569698B2 JP 7569698 B2 JP7569698 B2 JP 7569698B2 JP 2021010987 A JP2021010987 A JP 2021010987A JP 2021010987 A JP2021010987 A JP 2021010987A JP 7569698 B2 JP7569698 B2 JP 7569698B2
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Description

本発明は、金属酸窒化物薄膜および容量素子に関する。 The present invention relates to a metal oxynitride thin film and a capacitance element.

デジタル機器の高性能化に伴い、誘電特性を利用する電子部品を構成する誘電体には、高いキュリー温度(Tc)を示し、かつ高誘電率を有することが求められている。しかしながら、これらは同時に達成することは難しい。たとえば、優れた誘電特性を示すチタン酸バリウムは、その高い誘電率を発現するために、構造相転移を利用しているため、Tcは低い。 As digital devices become more sophisticated, the dielectrics that make up electronic components that utilize dielectric properties are required to have a high Curie temperature (Tc) and a high dielectric constant. However, it is difficult to achieve both at the same time. For example, barium titanate, which exhibits excellent dielectric properties, has a low Tc because it uses a structural phase transition to achieve its high dielectric constant.

ABONとして表されるペロブスカイト構造を有する金属酸窒化物は、誘電体材料として注目されており、その結晶構造に起因して高いTcを示す。しかしながら、この金属酸窒化物の誘電特性の発現機構に関して様々な提案がなされているが、明確になっていない。 Metal oxynitrides having a perovskite structure represented as ABO 2 N have attracted attention as dielectric materials and exhibit a high Tc due to their crystal structure. However, although various proposals have been made regarding the mechanism by which the dielectric properties of these metal oxynitrides are expressed, the mechanism has not been clarified.

たとえば、特許文献1には、窒素原子がc軸方向に配向している正方晶ペロブスカイト型酸窒化物が記載されている。特許文献1によれば、窒素原子がc軸方向に配向することにより、正方晶ペロブスカイト型酸窒化物は強誘電性を示し、圧電特性が良好であることが記載されている。 For example, Patent Document 1 describes a tetragonal perovskite-type oxynitride in which nitrogen atoms are oriented in the c-axis direction. Patent Document 1 describes that the orientation of nitrogen atoms in the c-axis direction makes the tetragonal perovskite-type oxynitride ferroelectric and has good piezoelectric properties.

また、非特許文献1には、基板との格子不整合を利用して、当該基板上に酸窒化物薄膜をエピタキシャル成長させることにより、窒素原子をc軸方向に配向させる方法が記載されている。 In addition, Non-Patent Document 1 describes a method of epitaxially growing an oxynitride thin film on a substrate by utilizing the lattice mismatch with the substrate, thereby orienting the nitrogen atoms in the c-axis direction.

また、特許文献2には、主組成がペロブスカイト型酸窒化物であって、強誘電性を示す多結晶体を有する誘電体磁器組成物が記載されている。 Patent Document 2 also describes a dielectric ceramic composition whose main composition is a perovskite-type oxynitride and has a polycrystalline body that exhibits ferroelectricity.

特開2010-143788号公報JP 2010-143788 A 国際公開2017/135298号International Publication No. 2017/135298

Daichi Oka, et al., "Possible ferroelectricity in perovskite oxynitride SrTaO2N epitaxial thin films", SCIENTIFIC REPORTS 4, DOI: 10.1038/srep04987Daichi Oka, et al., "Possible ferroelectricity in perovskite oxynitride SrTaO2N epitaxial thin films", SCIENTIFIC REPORTS 4, DOI: 10.1038/srep04987

しかしながら、窒素原子をc軸方向に配向させるために、特許文献1では、形状異方性粒子を配向させる配向工程が必要となる。すなわち、余分な工程が必要となる。また、非特許文献1に記載された方法は、特殊な方法であり、工業的には適さない。特許文献2に記載されている酸窒化物は、強誘電体から構成されており、誘電損失が高いという問題があった。 However, in order to orient the nitrogen atoms in the c-axis direction, Patent Document 1 requires an orientation process for orienting the anisotropic-shaped particles. In other words, an extra process is required. In addition, the method described in Non-Patent Document 1 is a special method and is not suitable for industrial use. The oxynitride described in Patent Document 2 is composed of a ferroelectric material, and has the problem of high dielectric loss.

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、強誘電性を有しつつ、誘電損失が小さい金属酸窒化物薄膜を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of these circumstances, and aims to provide a metal oxynitride thin film that has ferroelectricity and low dielectric loss.

本発明者らは、金属酸窒化物が、中心対称性を示す回折を生じる領域と、非中心対称性を示す回折を生じる領域と、を有していることにより、金属酸窒化物全体として強誘電性を有しつつ、常誘電性を示す構造に起因して誘電損失が小さい金属酸窒化物が得られることを見出した。 The inventors have found that a metal oxynitride having a region that produces centrosymmetric diffraction and a region that produces non-centrosymmetric diffraction can be obtained, which results in a metal oxynitride that has ferroelectricity as a whole and has low dielectric loss due to its paraelectric structure.

上記目的を達成するため、本発明の態様は、以下の通りである。 In order to achieve the above objectives, the present invention has the following aspects:

[1]一般式ABOで表され、ペロブスカイト構造を有する金属酸窒化物を含む金属酸窒化物薄膜であって、
Aが、バリウム、ストロンチウムおよびランタンからなる群から選ばれる少なくとも1つであり、Bがタンタルおよびチタンからなる群から選ばれる少なくとも1つであり、
Aがペロブスカイト構造におけるAサイトを占めた場合に示すイオン価数をa、Bがペロブスカイト構造におけるBサイトを占めた場合に示すイオン価数をbとした場合、aおよびbが6.7≦a+b≦7.3である関係を満足し、
一般式中のxおよびyが、
2.000≦x≦3.275、
0.150≦y≦1.000である関係を満足し、
金属酸窒化物は、中心対称性を示す回折を生じる領域と、非中心対称性を示す回折を生じる領域と、を有する金属酸窒化物薄膜である。
[1] A metal oxynitride thin film containing a metal oxynitride having a perovskite structure and represented by the general formula ABO x N y ,
A is at least one selected from the group consisting of barium, strontium, and lanthanum, B is at least one selected from the group consisting of tantalum and titanium,
When the ionic valence indicated when A occupies the A site in the perovskite structure is a and the ionic valence indicated when B occupies the B site in the perovskite structure is b, a and b satisfy the relationship 6.7≦a+b≦7.3;
In the general formula, x and y are
2.000≦x≦3.275,
The relationship 0.150≦y≦1.000 is satisfied,
The metal oxynitride is a metal oxynitride thin film that has regions that produce centrosymmetric diffraction and regions that produce non-centrosymmetric diffraction.

[2]中心対称性を示す回折を生じる領域のみから構成され、金属酸窒化物薄膜と同じ組成を有するペロブスカイト型金属酸窒化物に対する、Cu-Kα線をX線源とする粉末X線回折または粉末X線回折シミュレーションにより得られるX線回折パターンにおいて、回折角2θが20°から25°の範囲内に現れペロブスカイト構造に帰属する回折ピークのうち、最強の回折ピークをP1とし、回折角2θが44°から50°の範囲内に現れペロブスカイト構造に帰属する回折ピークのうち、最強の回折ピークをP2とし、P2の強度に対するP1の強度比IRとし、Cu-Kα線をX線源とする面直X線回折および面内X線回折により得られる金属酸窒化物薄膜のX線回折パターンにおいて、P2の強度に対するP1の強度比をIRとしたときに、IRに対するIRの比率Aが0%以上80%以下であり、金属酸窒化物薄膜が残留分極を有する[1]に記載の金属酸窒化物薄膜である。 [2] In an X-ray diffraction pattern obtained by powder X-ray diffraction using Cu-Kα radiation as an X-ray source or powder X-ray diffraction simulation for a perovskite metal oxynitride consisting only of regions that produce diffraction exhibiting centrosymmetricity and having the same composition as a metal oxynitride thin film, the strongest diffraction peak among the diffraction peaks that appear within a diffraction angle 2θ range of 20° to 25° and that belong to the perovskite structure is defined as P1, the strongest diffraction peak among the diffraction peaks that appear within a diffraction angle 2θ range of 44° to 50° and that belong to the perovskite structure is defined as P2, and the intensity ratio IRr of P1 to the intensity of P2 is defined as IRr . In an X-ray diffraction pattern for a metal oxynitride thin film obtained by perpendicular X-ray diffraction and in-plane X-ray diffraction using Cu-Kα radiation as an X-ray source, the intensity ratio of P1 to the intensity of P2 is defined as IRr. The metal oxynitride thin film according to [1], wherein a ratio A of IR to r is 0% or more and 80% or less, and the metal oxynitride thin film has remanent polarization.

[3]中心対称性を示す回折を生じる領域と、非中心対称性を示す回折を生じる領域とにおいて、陰イオンの配置秩序範囲が異なる[1]または[2]に記載の金属酸窒化物薄膜である。 [3] A metal oxynitride thin film according to [1] or [2], in which the region that produces centrosymmetric diffraction and the region that produces non-centrosymmetric diffraction have different ranges of anion arrangement order.

[4]中心対称性を示す回折を生じる領域と、非中心対称性を示す回折を生じる領域とは、同じ陽イオンを有している[3]に記載の金属酸窒化物薄膜である。 [4] The metal oxynitride thin film according to [3], in which the region that produces centrosymmetric diffraction and the region that produces non-centrosymmetric diffraction have the same cations.

[5]xおよびyが、
2.450≦x≦3.275、
0.150≦y≦0.700である関係を満足する[1]から[4]のいずれかに記載の金属酸窒化物薄膜である。
[5] x and y are
2.450≦x≦3.275,
The metal oxynitride thin film according to any one of [1] to [4], which satisfies the relationship 0.150≦y≦0.700.

[6][1]から[5]のいずれかに記載の金属酸窒化物薄膜を備える容量素子である。 [6] A capacitive element comprising a metal oxynitride thin film according to any one of [1] to [5].

本発明によれば、強誘電性を有しつつ、誘電損失が小さい金属酸窒化物薄膜を提供することができる。 The present invention provides a metal oxynitride thin film that has ferroelectric properties and low dielectric loss.

図1は、本実施形態に係る容量素子の一例としての薄膜キャパシタの断面模式図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a thin film capacitor as an example of a capacitive element according to this embodiment. 図2は、ABONの結晶構造を示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing the crystal structure of ABO 2 N. 図3Aは、ABONにおいて、窒素がcis配置であるBO八面体を示す模式図である。FIG. 3A is a schematic diagram showing a BO 4 N dioctahedron in which nitrogen is in the cis configuration in ABO 2 N. 図3Bは、ABONにおいて、窒素がtrans配置であるBO八面体を示す模式図である。FIG. 3B is a schematic diagram showing a BO 4 N dioctahedron in which the nitrogen in ABO 2 N is in the trans configuration. 図4は、窒素がcis配置であるBO八面体がc軸方向に八面体鎖を形成していることを示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing that BO 4 N dioctahedra in which nitrogen is in a cis configuration form an octahedral chain in the c-axis direction. 図5は、実施例の試料に行った分極処理パターンを示す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing the polarization treatment pattern performed on the sample of the example.

以下、本発明を、具体的な実施形態に基づき、以下の順序で詳細に説明する。
1.薄膜キャパシタ
1.1.薄膜キャパシタの全体構成
1.2.金属酸窒化物薄膜
1.2.1.金属酸窒化物
2.薄膜キャパシタの製造方法
2.1.金属酸窒化物薄膜の製造方法
3.本実施形態のまとめ
The present invention will now be described in detail based on specific embodiments in the following order.
1. Thin film capacitor 1.1. Overall configuration of thin film capacitor 1.2. Metal oxynitride thin film 1.2.1. Metal oxynitride 2. Manufacturing method of thin film capacitor 2.1. Manufacturing method of metal oxynitride thin film 3. Summary of this embodiment

(1.薄膜キャパシタ)
本実施形態では、容量素子の一例として、本実施形態に係る金属酸窒化物薄膜を誘電体として有する薄膜キャパシタについて説明する。薄膜キャパシタ以外の容量素子としては、サーミスタ、フィルター、ダイプレクサ、共振器、発信子、アンテナ、圧電素子、トランジスタのゲート材料、強誘電体メモリ等が例示される。
(1. Thin Film Capacitor)
In this embodiment, a thin film capacitor having the metal oxynitride thin film according to this embodiment as a dielectric is described as an example of a capacitive element. Examples of capacitive elements other than thin film capacitors include thermistors, filters, diplexers, resonators, oscillators, antennas, piezoelectric elements, transistor gate materials, ferroelectric memories, etc.

(1.1.薄膜キャパシタの全体構成)
図1に示すように、本実施形態に係る容量素子の一例としての薄膜キャパシタ1は、基板51と、第1の電極52と、金属酸窒化物薄膜53と、第2の電極54とがこの順序で積層された構成を有している。
(1.1. Overall configuration of thin film capacitor)
As shown in FIG. 1, a thin film capacitor 1 as an example of a capacitive element according to this embodiment has a configuration in which a substrate 51, a first electrode 52, a metal oxynitride thin film 53, and a second electrode 54 are laminated in this order.

第1の電極52と金属酸窒化物薄膜53と第2の電極54とはキャパシタ部を形成しており、第1の電極52および第2の電極54が、図示しない外部回路に接続されて電圧が印加されると、誘電体である金属酸窒化物薄膜53が所定の静電容量を示し、キャパシタとしての機能を発揮することができる。 The first electrode 52, the metal oxynitride thin film 53, and the second electrode 54 form a capacitor portion. When the first electrode 52 and the second electrode 54 are connected to an external circuit (not shown) and a voltage is applied, the metal oxynitride thin film 53, which is a dielectric, exhibits a predetermined capacitance and can function as a capacitor.

図1に示す基板51は、その上に形成される第1の電極52、金属酸窒化物薄膜53および第2の電極54を好適に形成できる材料で構成されていれば特に限定されない。このような材料としては、単結晶、アモルファス材料等が例示され、本実施形態では、Si単結晶基板を用いることが好ましい。 The substrate 51 shown in FIG. 1 is not particularly limited as long as it is made of a material that can suitably form the first electrode 52, the metal oxynitride thin film 53, and the second electrode 54 formed thereon. Examples of such materials include single crystal and amorphous materials, and in this embodiment, it is preferable to use a Si single crystal substrate.

図1に示すように、第1の電極52および第2の電極54は、薄膜状に形成され、金属酸窒化物薄膜53を挟み込んでいる。第1の電極52および第2の電極54を構成する材料は、導電性を有する材料であれば特に制限されない。たとえば、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)等の金属、または、それらの合金等が例示される。 As shown in FIG. 1, the first electrode 52 and the second electrode 54 are formed in the form of thin films, sandwiching the metal oxynitride thin film 53. There are no particular limitations on the material constituting the first electrode 52 and the second electrode 54, so long as it is a conductive material. Examples include metals such as platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), iridium (Ir), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), and nickel (Ni), or alloys thereof.

(1.2.金属酸窒化物薄膜)
本実施形態に係る金属酸窒化物薄膜は、後述するが、所定の組成およびペロブスカイト構造を有する金属酸窒化物から構成されている。
(1.2. Metal oxynitride thin film)
As will be described later, the metal oxynitride thin film according to this embodiment is composed of a metal oxynitride having a predetermined composition and a perovskite structure.

本実施形態では、金属酸窒化物薄膜は、公知の成膜法により形成された薄膜である。このような薄膜は、通常、基板上に原子が堆積して形成されるので、金属酸窒化物薄膜は、金属酸窒化物堆積膜であることが好ましい。したがって、本実施形態に係る金属酸窒化物薄膜は、誘電体の原料粉末を成形した成形体を焼成して得られる(固相反応により得られる)焼成体は含まない。 In this embodiment, the metal oxynitride thin film is a thin film formed by a known film formation method. Such thin films are usually formed by depositing atoms on a substrate, so the metal oxynitride thin film is preferably a metal oxynitride deposited film. Therefore, the metal oxynitride thin film according to this embodiment does not include a fired body (obtained by a solid-phase reaction) obtained by firing a compact formed from a dielectric raw material powder.

金属酸窒化物薄膜の厚みは特に限定されず、所望の特性、用途等に応じて任意に設定することができる。本実施形態では、厚みは、好ましくは10nm以上2μm以下である。 The thickness of the metal oxynitride thin film is not particularly limited and can be set arbitrarily depending on the desired characteristics, applications, etc. In this embodiment, the thickness is preferably 10 nm or more and 2 μm or less.

(1.2.1.金属酸窒化物)
本実施形態に係る金属酸窒化物薄膜を構成する金属酸窒化物の組成は、一般式ABOで表される。一般式中、xは金属酸窒化物中の酸素の割合を示し、yは金属酸窒化物中の窒素の割合を示している。
(1.2.1. Metal oxynitride)
The composition of the metal oxynitride constituting the metal oxynitride thin film according to this embodiment is represented by the general formula ABO x N y , where x represents the proportion of oxygen in the metal oxynitride, y represents the proportion of nitrogen in the metal oxynitride.

本実施形態では、xは2.000≦x≦3.275である関係を満足し、yは0.150≦y≦1.000である関係を満足する。xおよびyが上記の範囲を満足することにより、強誘電性を有しつつ、誘電損失が小さい金属酸窒化物薄膜を得ることが容易となる。 In this embodiment, x satisfies the relationship 2.000≦x≦3.275, and y satisfies the relationship 0.150≦y≦1.000. By making x and y satisfy the above ranges, it becomes easy to obtain a metal oxynitride thin film that has ferroelectricity and small dielectric loss.

xは、2.450以上であることが好ましく、2.750以上であることがより好ましい。xは、3.200以下であることが好ましく、2.900以下であることがより好ましい。 x is preferably 2.450 or more, and more preferably 2.750 or more. x is preferably 3.200 or less, and more preferably 2.900 or less.

また、yは、0.200以上であることが好ましく、0.400以上であることがより好ましい。yは、0.700以下であることが好ましく、0.500以下であることがより好ましい。 In addition, y is preferably 0.200 or more, and more preferably 0.400 or more. y is preferably 0.700 or less, and more preferably 0.500 or less.

また、一般式中、Aは、バリウム(Ba)、ストロンチウム(Sr)およびランタン(La)からなる群から選ばれる少なくとも1つであり、Aは、バリウムおよびストロンチウムからなる群から選ばれる少なくとも1つを含むことが好ましい。また、式中、Bはタンタル(Ta)およびチタン(Ti)からなる群から選ばれる少なくとも1つである。 In the general formula, A is at least one selected from the group consisting of barium (Ba), strontium (Sr) and lanthanum (La), and it is preferable that A contains at least one selected from the group consisting of barium and strontium. In the formula, B is at least one selected from the group consisting of tantalum (Ta) and titanium (Ti).

したがって、上記の組成式ABOは、(Ba1-p-qSrLa)(Ta1-rTi)Oと表すことができる。ここで、pおよびqは、0≦p≦1.0、0≦q≦1.0である関係を満足する。また、rは、0≦r≦1.0である関係を満足する。好ましくは、組成式ABOは、(Ba1-pSr1-qLa(Ta1-rTi)Oと表すことができる。ここで、pおよびqは、0≦p≦1.0、0≦q≦0.30である関係を満足することが好ましい。 Therefore, the above composition formula ABO x N y can be expressed as (Ba 1-p-q Sr p La q ) (Ta 1-r Ti r ) O x N y . Here, p and q satisfy the relationships of 0≦p≦1.0, 0≦q≦1.0. Furthermore, r satisfies the relationship of 0≦r≦1.0. Preferably, the composition formula ABO x N y can be expressed as (Ba 1-p Sr p ) 1-q La q (Ta 1-r Ti r ) O x N y . Here, it is preferable that p and q satisfy the relationships of 0≦p≦1.0, 0≦q≦0.30.

また、金属酸窒化物はペロブスカイト構造を有している。図2にペロブスカイト構造を示す。図2に示すように、ペロブスカイト構造においては、陰イオン(11,12)が6つの頂点を占め、中心にBサイト原子13が存在する八面体15が頂点を互いに共有して3次元ネットワークを構成しており、このネットワークの間隙にAサイト原子14が配置されている。Aサイト原子は、上述したように、バリウム、ストロンチウムおよびランタンからなる群から選ばれる少なくとも1つであり、Bサイト原子は、上述したように、タンタルおよびチタンからなる群から選ばれる少なくとも1つである。 Metal oxynitrides also have a perovskite structure. Figure 2 shows the perovskite structure. As shown in Figure 2, in the perovskite structure, anions (11, 12) occupy six vertices, and octahedra 15 with a B-site atom 13 at the center share their vertices to form a three-dimensional network, with A-site atoms 14 located in the gaps of this network. As described above, the A-site atom is at least one selected from the group consisting of barium, strontium, and lanthanum, and the B-site atom is at least one selected from the group consisting of tantalum and titanium.

本実施形態では、Aがペロブスカイト構造におけるAサイトを占めた場合に示すイオン価数をa、Bがペロブスカイト構造におけるBサイトを占めた場合に示すイオン価数をbとした場合、aおよびbが6.7≦a+b≦7.3である関係を満足する。 In this embodiment, if the ionic valence indicated when A occupies the A site in the perovskite structure is a, and the ionic valence indicated when B occupies the B site in the perovskite structure is b, a and b satisfy the relationship 6.7≦a+b≦7.3.

なお、上記のイオン価数aとイオン価数bとは、それぞれ、平均価数として表される。平均価数は、Aサイト、または、Bサイトに存在するイオンの価数をその存在比に応じて平均化した値とする。例えば、AサイトにSrとLaが4:1のモル比で存在する場合について述べる。ペロブスカイト構造におけるSrイオンの価数は2であり、ペロブスカイト構造におけるLaイオンの価数は3である。よって、Aサイトの平均価数aは下記の(式1)により算出され、aは2.2価となる。
(式1)
(上記の場合の平均価数a)
=2(Srイオンの価数)×4/5(Srイオンの存在比)+3(Laイオンの価数)×1/5(Laイオンの存在比)
=8/5+3/5
=11/5
=2.2…(1)
The ionic valence a and ionic valence b are each expressed as an average valence. The average valence is a value obtained by averaging the valences of ions present in the A site or the B site according to their abundance ratio. For example, a case will be described in which Sr and La are present in the A site at a molar ratio of 4:1. The valence of the Sr ion in the perovskite structure is 2, and the valence of the La ion in the perovskite structure is 3. Therefore, the average valence a of the A site is calculated by the following (Formula 1), and a is 2.2.
(Equation 1)
(Average valence a in the above case)
= 2 (valence of Sr ions) × 4/5 (abundance ratio of Sr ions) + 3 (valence of La ions) × 1/5 (abundance ratio of La ions)
= 8/5 + 3/5
= 11/5
= 2.2… (1)

同様に、BサイトにTaとTiが4:1のモル比で存在する場合について述べる。ペロブスカイト構造におけるTaイオンの価数は5であり、ペロブスカイト構造におけるTiイオンの価数は4である。よって、Bサイトの平均価数bは下記の(式2)により算出され、bは4.8価となる。
(式2)
(上記の場合の平均価数b)
=5(Taイオンの価数)×4/5(Taイオンの存在比)+4(Tiイオンの価数)×1/5(Tiイオンの存在比)
=20/5+4/5
=24/5=4.8…(2)
Similarly, a case will be described where Ta and Ti exist in the B site at a molar ratio of 4:1. The valence of the Ta ion in the perovskite structure is 5, and the valence of the Ti ion in the perovskite structure is 4. Therefore, the average valence b of the B site is calculated by the following (Equation 2), and b is 4.8.
(Equation 2)
(Average valence b in the above case)
= 5 (valence of Ta ions) × 4/5 (abundance ratio of Ta ions) + 4 (valence of Ti ions) × 1/5 (abundance ratio of Ti ions)
= 20/5 + 4/5
=24/5=4.8...(2)

上記の平均価数は、Aサイトに存在するイオンと、Bサイトに存在するイオンとのモル比が1:1である場合に算出される価数である。一方、平均価数は、Aサイトに存在するイオンと、Bサイトに存在するイオンとのモル比が1:1ではない場合に算出される価数であってもよい。 The above average valence is the valence calculated when the molar ratio of the ions present on the A site to the ions present on the B site is 1:1. On the other hand, the average valence may be the valence calculated when the molar ratio of the ions present on the A site to the ions present on the B site is not 1:1.

たとえば、Aサイトに存在するSrイオンと、Bサイトに存在するTaイオンとのモル比が、1:1.02である場合には、上記の式(1)および式(2)を用いて、aは2価、bは5.1価となる。
(平均価数a)
=2×1=2
(平均価数b)
=5×1.02=5.1
For example, when the molar ratio of Sr ions present at the A site to Ta ions present at the B site is 1:1.02, using the above formulas (1) and (2), a has a valence of 2 and b has a valence of 5.1.
(Average valence a)
= 2 x 1 = 2
(Average Valence b)
=5×1.02=5.1

上記のAサイトの平均価数aとBサイトの平均価数bとの和が上記の範囲を満足することにより、強誘電性を有しつつ、誘電損失が小さい金属酸窒化物薄膜を得ることが容易となる。 When the sum of the average valence a of the A site and the average valence b of the B site satisfies the above range, it becomes easy to obtain a metal oxynitride thin film that has ferroelectricity and small dielectric loss.

一方、陰イオンは、金属酸窒化物ABO中の酸素と窒素との組成比に応じて配分されており、ABOにおいてx=2、y=1である場合、当該八面体はBO八面体である。すなわち、図2に示すように、BO八面体において、陰イオンが占める6つの頂点のうち、2つの頂点を窒素イオン12が占める。 On the other hand, the anions are distributed according to the composition ratio of oxygen and nitrogen in the metal oxynitride ABO x N y , and when x = 2 and y = 1 in ABO x N y , the octahedron is a BO 4 N 2 octahedron. That is, as shown in Figure 2, in the BO 4 N 2 octahedron, nitrogen ions 12 occupy two of the six vertices occupied by anions.

本実施形態では、金属酸窒化物は強誘電性を有している。強誘電性は、自発分極の向きが外部電界により反転し、外部電界を取り去っても分極が残る性質である。自発分極は、結晶中の陽イオンおよび陰イオンの位置が相対的に変化することにより生じる電荷分布の偏りである。 In this embodiment, the metal oxynitride has ferroelectricity. Ferroelectricity is a property in which the direction of spontaneous polarization is reversed by an external electric field, and the polarization remains even when the external electric field is removed. Spontaneous polarization is a bias in the distribution of charge caused by a relative change in the positions of cations and anions in the crystal.

したがって、強誘電性を有する物質は、電荷分布の偏りが生じるような構造を有している。たとえば、ペロブスカイト型強誘電体として知られるチタン酸バリウム(BaTiO)は、室温において、正方晶系の結晶構造を有しており、c軸方向の格子長さが、a軸方向およびb軸方向の格子長さよりも長い。したがって、単位格子において、酸素イオンの重心位置からチタンイオンの位置がずれている配置に起因して自発分極が生じている。このような配置は、中心対称性を有していない配置である。このような自発分極が生じているか否かは、たとえば、金属酸窒化物が圧電応答をするか否かにより評価することができる。 Therefore, a ferroelectric substance has a structure that causes a bias in the charge distribution. For example, barium titanate (BaTiO 3 ), known as a perovskite-type ferroelectric, has a tetragonal crystal structure at room temperature, and the lattice length in the c-axis direction is longer than the lattice lengths in the a-axis and b-axis directions. Therefore, spontaneous polarization occurs in the unit lattice due to an arrangement in which the position of the titanium ion is shifted from the center of gravity of the oxygen ion. This arrangement does not have centrosymmetricity. Whether or not such spontaneous polarization occurs can be evaluated, for example, by whether or not the metal oxynitride exhibits a piezoelectric response.

一方、外部電界を取り去ると分極がなくなる物質を常誘電体と呼ぶ。チタン酸バリウムは高温において立方晶系の結晶構造に転移して、c軸方向の格子長さが、a軸方向およびb軸方向の格子長さと同じとなる。その結果、チタン酸バリウムは強誘電性を失い、常誘電体となる。すなわち、酸素イオンの重心位置とチタンイオンの重心位置とが一致する配置となり、電荷分布の偏りが生じない構造に転移することにより、自発分極が消滅する。このような配置は、中心対称性を有する配置である。 On the other hand, a material that loses its polarization when the external electric field is removed is called a paraelectric. At high temperatures, barium titanate transitions to a cubic crystal structure, and the lattice length in the c-axis direction becomes the same as the lattice length in the a-axis and b-axis directions. As a result, barium titanate loses its ferroelectricity and becomes a paraelectric. In other words, the center of gravity of the oxygen ions and the center of gravity of the titanium ions are aligned, and the spontaneous polarization disappears as the structure transitions to one in which there is no bias in the charge distribution. This type of arrangement is centrally symmetric.

通常、強誘電性を有している物質は、中心対称性を有していない配置(非中心対称性を有する配置)が秩序を持って繰り返される領域のみを有している。しかしながら、本実施形態では、上記の金属酸窒化物は、中心対称性を示す回折を生じる領域と、非中心対称性を示す回折を生じる領域とを有しており、非中心対称性を示す回折を生じる領域に起因する強誘電性を示すことができる。 Normally, a material having ferroelectricity has only regions in which an arrangement that does not have centrosymmetrical properties (an arrangement having non-centrosymmetrical properties) is repeated in an orderly manner. However, in this embodiment, the metal oxynitride has regions that produce centrosymmetrical diffraction and regions that produce non-centrosymmetrical diffraction, and can exhibit ferroelectricity due to the regions that produce non-centrosymmetrical diffraction.

本実施形態では、中心対称性を示す回折を生じる領域と、非中心対称性を示す回折を生じる領域と、は、どちらも非中心対称性を有する配置から構成されている。しかしながら、中心対称性を示す回折を生じる領域と、非中心対称性を有する回折を生じる領域と、においては、陰イオン(酸素イオンおよび窒素イオン)の配置秩序が維持される範囲が異なる。 In this embodiment, both the region that produces centrosymmetric diffraction and the region that produces non-centrosymmetric diffraction are configured with a non-centrosymmetric arrangement. However, the range in which the arrangement order of anions (oxygen ions and nitrogen ions) is maintained is different between the region that produces centrosymmetric diffraction and the region that produces non-centrosymmetric diffraction.

中心対称性を示す回折を生じる領域では、陰イオンの配置は非中心対称性を有する配置となっているものの、その配置が結晶粒子全体にランダムに存在しており、また非中心対称性を有する配置は単位格子の大きさ程度であり、非中心対称性に起因して生じる分極が影響を与える範囲が小さい。したがって、当該領域では、分極の向きが全方位的に存在しているので、当該領域は全体として特定の方向に向いた分極は存在せず、中心対称性を有していると見なすことができる。その結果、本実施形態に係る金属酸窒化物を回折法により分析すると、当該領域は、中心対称性を示す回折が生じる領域であり、第2相としての非中心対称性を示す回折を生じる領域としては検出されない。 In the region where diffraction exhibits centrosymmetric properties, the anions are arranged in a non-centrosymmetric arrangement, but the arrangement is random throughout the crystal grain, and the non-centrosymmetric arrangement is on the order of the size of the unit cell, so the range affected by the polarization caused by the non-centrosymmetric properties is small. Therefore, since the polarization direction is omnidirectional in the region, the region as a whole does not have polarization oriented in a specific direction, and can be considered to have centrosymmetric properties. As a result, when the metal oxynitride according to this embodiment is analyzed by a diffraction method, the region is detected as a region where diffraction exhibits centrosymmetric properties, and is not detected as a region where diffraction exhibits non-centrosymmetric properties as a second phase.

一方、非中心対称性を有する配置が秩序的に配列している領域では、特定の方向に配置秩序が繰り返されるため、その方向において非中心対称性が強められる。このような領域がある程度の大きさになると、この領域において生じる回折が、中心対称性を示す回折に影響を与えることがある。後述するが、非中心対称性を示す回折が生じると、中心対称性を示す回折が影響され、中心対称性を示す回折が生じる領域のみから構成される金属酸窒化物が示す回折パターンとは異なる回折パターンが得られる。 On the other hand, in regions where non-centrosymmetric configurations are arranged in an orderly manner, the configuration order is repeated in a specific direction, and the non-centrosymmetric nature is strengthened in that direction. When such regions reach a certain size, the diffraction occurring in these regions can affect the centrosymmetric diffraction. As will be described later, when non-centrosymmetric diffraction occurs, the centrosymmetric diffraction is affected, resulting in a diffraction pattern that differs from the diffraction pattern exhibited by a metal oxynitride composed only of regions where centrosymmetric diffraction occurs.

このような回折パターンが得られる金属酸窒化物では、陰イオンが秩序的に配列している領域が大きく、強誘電性を発現させる起点となる。一方、金属酸窒化物が中心対称性を示す回折が生じる領域を有することにより、誘電損失が小さくなる。 In metal oxynitrides that produce such diffraction patterns, the regions where anions are ordered are large, and serve as the starting point for the development of ferroelectricity. On the other hand, because metal oxynitrides have regions where diffraction occurs that exhibits central symmetry, the dielectric loss is reduced.

BO八面体では、図3Aに示すように、2個の窒素(N)イオン12が互いに隣り合う配置(cis配置)と、図3Bに示すように、2個の窒素イオン(N)12が互いに隣り合わない配置(trans配置)と、がある。酸素イオンの結合長さと窒素イオンの結合長さとが異なるので、cis配置およびtrans配置のどちらも非中心対称性を有する配置である。 In the BO 4 N 2 octahedron, there are two configurations (cis configuration) in which two nitrogen (N) ions 12 are adjacent to each other as shown in Fig. 3A, and there are two configurations (trans configuration) in which two nitrogen ions (N) 12 are not adjacent to each other as shown in Fig. 3B. Both the cis configuration and the trans configuration are non-centrosymmetric configurations because the bond lengths of the oxygen ions and the nitrogen ions are different.

本実施形態では、非中心対称性を有する配置は、cis配置であることが好ましい。したがって、中心対称性を示す回折を生じる領域および非中心対称性を示す回折を生じる領域は、cis配置から構成されていることが好ましい。 In this embodiment, the non-centrosymmetric configuration is preferably a cis configuration. Therefore, it is preferable that the region that produces diffraction exhibiting centrosymmetricity and the region that produces diffraction exhibiting non-centrosymmetricity are configured in a cis configuration.

図3Aに示すcis配置のBO八面体では、a軸方向とc軸方向とに窒素イオンが存在しているが、a軸方向とb軸方向とに窒素イオンが存在するBO八面体およびb軸方向とc軸方向とに窒素イオンが存在するBO八面体もcis配置である。したがって、これらのBO八面体がランダムに存在し、頂点共有することにより、非中心対称性が弱められ、中心対称性を示す回折を生じる領域が形成される。 In the cis-configured BO 4 N 2 octahedron shown in Fig. 3A, nitrogen ions are present in the a-axis and c-axis directions, but the BO 4 N 2 octahedron with nitrogen ions present in the a-axis and b-axis directions and the BO 4 N 2 octahedron with nitrogen ions present in the b-axis and c-axis directions are also cis-configured. Therefore, these BO 4 N 2 octahedrons are randomly present and share vertices, weakening non-centrosymmetric properties and forming regions that produce diffraction exhibiting centrosymmetric properties.

これに対して、cis配置が秩序を持って存在する構造を図4に示す。図4において、cis配置秩序構造では、八面体の頂点のうち、c軸方向のサイト(4a)の1つと、a軸およびb軸に平行な面上のサイト(8h)の1つと、に窒素が配置されている。その結果、BO八面体は、Bを結ぶ軸(図3ではc軸)から傾いた状態で連なった八面体鎖を形成する。本実施形態では、窒素がcis配置である八面体が連なって形成されるこのような秩序構造が、BO八面体がランダムに存在にする(BO八面体の秩序範囲が狭い)領域に起因する回折パターンに影響を与える。 In contrast, a structure in which the cis configuration exists in an orderly manner is shown in FIG. 4. In FIG. 4, in the cis-configuration ordered structure, nitrogen is arranged at one of the sites (4a) in the c-axis direction and one of the sites (8h) on the plane parallel to the a-axis and b-axis among the vertices of the octahedron. As a result, the BO 4 N 2 octahedra form an octahedral chain in which the octahedra are linked in a state tilted from the axis connecting B (c-axis in FIG. 3). In this embodiment, such an ordered structure formed by linking octahedra in which nitrogen is in the cis configuration affects the diffraction pattern due to the region in which the BO 4 N 2 octahedra exist randomly (the order range of the BO 4 N 2 octahedra is narrow).

なお、中心対称性を示す回折を生じる領域と、非中心対称性を示す回折を生じる領域と、において、陽イオンの種類が同じであってもよいし、異なっていてもよい。本実施形態では、陽イオンの種類は同じであることが好ましい。金属酸窒化物を構成する元素の種類を少なくすることにより、コンタミが抑制でき、製造プロセスの負荷を低減することができる。 The types of cations may be the same or different in the region where centrosymmetric diffraction occurs and the region where non-centrosymmetric diffraction occurs. In this embodiment, it is preferable that the types of cations are the same. By reducing the number of types of elements that make up the metal oxynitride, contamination can be suppressed and the load on the manufacturing process can be reduced.

金属酸窒化物において、中心対称性を示す回折を生じる領域と非中心対称性を示す回折を生じる領域とが存在しているか否かは、たとえば、以下のようにして評価することができる。このような原子の位置により決定される構造は、XRD回折により評価することが多い。しかしながら、上述したように、上記の金属酸窒化物において、中心対称性を示す回折を生じる領域であるか、非中心対称性を示す回折を生じる領域であるかは、陰イオン(酸素および窒素)の配置の違いに依存している。酸素および窒素のような軽元素の位置を反映する回折ピークの強度は、金属元素(AおよびB)の位置を反映する回折ピークの強度よりも弱く、軽元素の位置を反映する回折ピークを直接評価することは困難である。 In a metal oxynitride, whether or not there are regions that produce centrosymmetric diffraction and regions that produce non-centrosymmetric diffraction can be evaluated, for example, as follows. Such structures determined by the positions of atoms are often evaluated by XRD diffraction. However, as described above, in the above metal oxynitride, whether a region produces centrosymmetric diffraction or non-centrosymmetric diffraction depends on the difference in the arrangement of anions (oxygen and nitrogen). The intensity of the diffraction peaks reflecting the positions of light elements such as oxygen and nitrogen is weaker than the intensity of the diffraction peaks reflecting the positions of metal elements (A and B), and it is difficult to directly evaluate the diffraction peaks reflecting the positions of light elements.

しかしながら、陰イオンの配置の違いは、XRD回折により観察される回折ピークの強度に影響を与えることがある。そこで、本実施形態では、所定の面で反射される回折ピークの強度と、別の面で反射される回折ピークの強度との比に基づき、金属酸窒化物中に、中心対称性を示す回折を生じる領域と非中心対称性を示す回折を生じる領域とが存在しているか否かを評価する。 However, differences in the arrangement of anions can affect the intensity of the diffraction peaks observed by XRD diffraction. Therefore, in this embodiment, based on the ratio of the intensity of the diffraction peak reflected by a specific plane to the intensity of the diffraction peak reflected by another plane, it is evaluated whether or not there are regions in the metal oxynitride that produce centrosymmetric diffraction and regions that produce non-centrosymmetric diffraction.

まず、中心対称性を示す回折を生じる領域のみから構成されるペロブスカイト型金属酸窒化物に対する粉末XRD回折の測定結果またはシミュレーション結果を得る。X線源がCu-Kα線である場合、回折角2θが20°から25°の範囲内に現れる回折ピークのうち、最強の回折ピークP1の強度と、回折角2θが44°から50°の範囲内に現れる回折ピークのうち、最強の回折ピークP2の強度と、から強度比IR(P1の強度/P2の強度)を算出し、リファレンスとする。XRD回折シミュレーションは公知のソフトウェアで行うことができる。 First, a measurement result or a simulation result of powder XRD diffraction is obtained for a perovskite metal oxynitride composed only of regions that produce diffraction exhibiting centrosymmetricity. When the X-ray source is Cu-Kα radiation, an intensity ratio IR r (intensity of P1/intensity of P2) is calculated from the intensity of the strongest diffraction peak P1 among the diffraction peaks that appear within a diffraction angle 2θ range of 20° to 25° and the intensity of the strongest diffraction peak P2 among the diffraction peaks that appear within a diffraction angle range of 44° to 50°, and is used as a reference. XRD diffraction simulation can be performed using known software.

次に、リファレンスと同じ組成を有する金属酸窒化物に対して、XRD回折測定を行い、回折ピークのパターンを得る。得られた回折ピークのパターンにおいて、回折ピークP1の強度と、回折ピークP2の強度と、から強度比IR(P1の強度/P2の強度)を算出して、リファレンスの強度比を100%としたときの比率A(IR/IR)を算出することにより、金属酸窒化物中において中心対称性を示す回折を生じる領域と非中心対称性を示す回折を生じる領域とが存在しているか否かを評価することができる。 Next, an XRD diffraction measurement is performed on a metal oxynitride having the same composition as the reference to obtain a diffraction peak pattern. In the obtained diffraction peak pattern, an intensity ratio IR (intensity of P1/intensity of P2) is calculated from the intensities of diffraction peaks P1 and P2, and a ratio A (IR/IR r ) is calculated when the intensity ratio of the reference is set to 100%, thereby making it possible to evaluate whether or not a region causing centrosymmetric diffraction and a region causing non-centrosymmetric diffraction are present in the metal oxynitride.

なお、回折ピークの強度比は配向によっても変化するが、上記の強度比IRは配向に起因していないため、強度比IR(P1の強度/P2の強度)は面直(out of plane)方向、面内(in-plane)方向の両方から測定された回折ピークにおいて同じ関係を示す。例えば、P1の強度/P2の強度<1が維持される。一方、配向している場合は、面直方向、面内方向でその関係が逆転する。例えば、面直方向ではP1の強度/P2の強度>1であるのに対し、面内方向ではP1の強度/P2の強度<1となる。 The intensity ratio of the diffraction peaks also changes depending on the orientation, but since the intensity ratio IR is not due to orientation, the intensity ratio IR (P1 intensity/P2 intensity) shows the same relationship for diffraction peaks measured from both the out-of-plane direction and the in-plane direction. For example, P1 intensity/P2 intensity < 1 is maintained. On the other hand, when oriented, the relationship is reversed in the out-of-plane direction and in-plane direction. For example, P1 intensity/P2 intensity > 1 in the out-of-plane direction, whereas P1 intensity/P2 intensity < 1 in the in-plane direction.

本実施形態では、比率Aが0%以上80%以下である時に、金属酸窒化物中に、中心対称性を示す回折を生じる領域と、非中心対称性を示す回折を生じる領域とが存在していると判断する。 In this embodiment, when ratio A is 0% or more and 80% or less, it is determined that the metal oxynitride contains regions that produce diffraction exhibiting centrosymmetric properties and regions that produce diffraction exhibiting non-centrosymmetric properties.

なお、本実施形態に係る金属酸窒化物薄膜は無配向であることが好ましい。本実施形態では、無配向であるか否かは以下のようにして判断する。まず、金属酸窒化物結晶において直交する2つの面を選択する。金属酸窒化物薄膜について、in-plane,out-of-plane方向の両方からXRD測定を行い、in-plane方向のXRD測定において強度が大きかった方のピークを基準とし、基準のピーク強度100%に対して小さい方のピーク強度の割合B1(小さい方なので<100%)を算出しておく。続いて、out-of-plane方向のXRD測定においてin-plane方向のXRD測定で基準とした位置のピークの強度100%に対して他方のピーク強度の割合B2を算出する。そして、この両者の差(|B1-B2|)が80%以内である場合に、薄膜が無配向であると判断する。 Note that the metal oxynitride thin film according to this embodiment is preferably non-oriented. In this embodiment, whether or not it is non-oriented is determined as follows. First, two orthogonal planes are selected in the metal oxynitride crystal. XRD measurements are performed on the metal oxynitride thin film from both the in-plane and out-of-plane directions, and the peak with the greater intensity in the in-plane XRD measurement is used as the reference, and the ratio B1 of the smaller peak intensity to the reference peak intensity of 100% (<100% since it is the smaller one) is calculated. Next, in the out-of-plane XRD measurement, the ratio B2 of the other peak intensity to the peak intensity of 100% at the position used as the reference in the in-plane XRD measurement is calculated. Then, if the difference between the two (|B1-B2|) is within 80%, the thin film is determined to be non-oriented.

具体的な例を示すと、in-plane方向のXRD測定において、(220)面のピーク強度100%に対して、(002)面のピーク強度が80%であるところ、out-of-plane方向のXRD測定において、(220)面のピーク強度100%に対して、(002)面のピーク強度が120%である場合、(002)面のピーク強度の差は、40%(120%-80%)となる。したがって、この場合には、金属酸窒化物薄膜は無配向であると判断される。 To give a specific example, in an in-plane XRD measurement, if the peak intensity of the (220) plane is 100% and the peak intensity of the (002) plane is 80%, and in an out-of-plane XRD measurement, the peak intensity of the (220) plane is 100% and the peak intensity of the (002) plane is 120%, then the difference in peak intensity of the (002) plane is 40% (120% - 80%). Therefore, in this case, the metal oxynitride thin film is determined to be non-oriented.

また、中性子線回折を利用すれば、軽元素の位置を評価することができる。中性子線回折測定結果により精密化させた結晶構造において、ABONがSrTaONまたは(SrLa)TaONである場合には、中心対称性を有する構造は空間群I4/mcm(Table No.140)に属し、cis配置秩序構造に起因する非中心対称性を有する構造は空間群Pmc2(Table No.26)に属することが知られている。 In addition, the positions of light elements can be evaluated by using neutron diffraction. In a crystal structure refined by neutron diffraction measurement, when ABO 2 N is SrTaO 2 N or (SrLa)TaO 2 N, it is known that a structure having centrosymmetrical properties belongs to the space group I4/mcm (Table No. 140), and a structure having non-centrosymmetrical properties due to a cis-ordered structure belongs to the space group Pmc2 1 (Table No. 26).

ABONがBaTaONまたは(BaLa)TaONである場合には、中心対称性を有する構造は空間群Pm-3m(Table No.221)に属し、cis配置秩序構造に起因する非中心対称性を有する構造は空間群Pmc2(Table No.26)に属していることが知られている。 When ABO 2 N is BaTaO 2 N or (BaLa)TaO 2 N, it is known that the structure having centrosymmetric property belongs to the space group Pm-3m (Table No. 221), and the structure having non-centrosymmetric property due to the cis-configuration ordered structure belongs to the space group Pmc2 1 (Table No. 26).

(2.薄膜キャパシタの製造方法)
次に、図1に示す薄膜キャパシタ1の製造方法の一例について以下に説明する。
(2. Manufacturing method of thin film capacitor)
Next, an example of a method for manufacturing the thin film capacitor 1 shown in FIG. 1 will be described below.

まず、基板51を準備する。基板51として、たとえば、Si単結晶基板を用いる場合、当該基板の一方の主面に絶縁層(たとえば、SiO)を形成する。絶縁層を形成する方法としては、熱酸化法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等の公知の成膜法を用いればよい。 First, prepare a substrate 51. When using, for example, a Si single crystal substrate as the substrate 51, an insulating layer (e.g., SiO 2 ) is formed on one main surface of the substrate. The insulating layer may be formed by a known film formation method such as a thermal oxidation method or a CVD (Chemical Vapor Deposition) method.

続いて、形成された絶縁層上に、公知の成膜法、たとえば、スパッタリング法を用いて第1の電極を構成する材料の薄膜を形成して第1の電極52を形成する。 Next, a thin film of the material that will form the first electrode is formed on the insulating layer using a known film formation method, such as sputtering, to form the first electrode 52.

続いて、公知の成膜法を用いて、金属酸窒化物薄膜53を第1の電極52上に形成する。 Next, a metal oxynitride thin film 53 is formed on the first electrode 52 using a known film formation method.

公知の成膜法としては、たとえば、真空蒸着法、スパッタリング法、パルスレーザー蒸着法(Pulsed Laser Deposition:PLD)、有機金属化学気相成長法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)、有機金属分解法(Metal Organic Decomposition:MOD)またはゾルゲル法、化学溶液堆積法(Chemical Solution Deposition:CSD)が例示される。 Examples of known film formation methods include vacuum deposition, sputtering, pulsed laser deposition (PLD), metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), metal organic decomposition (MOD) or the sol-gel method, and chemical solution deposition (CSD).

成膜用原料としては、たとえば、各種ターゲット材料、蒸着材料、有機金属材料等が例示される。成膜用原料には微量の不純物、副成分が含まれている場合があるが、本発明の効果を大きく劣化させるものでなければ、特に問題はない。 Examples of film-forming raw materials include various target materials, deposition materials, and organometallic materials. Film-forming raw materials may contain trace amounts of impurities and secondary components, but this is not a problem as long as they do not significantly impair the effects of the present invention.

これらの成膜法のうち、成膜用原料を一旦原子レベルまたは分子レベルに分離または励起した後に、基板上に堆積させて成膜を行う公知の気相成長法が好ましい。以下では、気相成長法として、スパッタリング法を用いて、金属酸窒化物薄膜を成膜する方法について述べる。 Among these film formation methods, the well-known vapor phase growth method is preferred, in which the film formation raw material is first separated or excited at the atomic or molecular level, and then deposited on a substrate to form a film. In the following, a method for forming a metal oxynitride thin film using a sputtering method as a vapor phase growth method will be described.

スパッタリング法を用いて金属酸窒化物薄膜を成膜する場合、成膜用原料として、所定の組成を有するターゲットを用いる。また、Aサイト原子であるバリウムおよび/またはストロンチウムの一部をランタンで置換すると、ペロブスカイト構造が歪みやすい。したがって、Aサイト原子として、ランタンを所定の割合で含むターゲットを用いることにより、結晶構造の一部において、対称性を低下させ、中心対称性を示す回折を生じる領域中に、非中心対称性を示す回折を生じる領域を形成することが容易となる。 When forming a metal oxynitride thin film using a sputtering method, a target having a specified composition is used as the film formation raw material. Furthermore, if some of the A-site atoms, barium and/or strontium, are replaced with lanthanum, the perovskite structure is likely to be distorted. Therefore, by using a target containing a specified proportion of lanthanum as the A-site atom, it becomes easier to reduce the symmetry in part of the crystal structure and form a region that produces non-centrosymmetric diffraction in a region that produces centrosymmetric diffraction.

成膜時には、薄膜を結晶化させるために、基板を加熱することが好ましい。成膜時の基板温度は、薄膜の構成元素、組成等に応じて決定すればよいが、本実施形態では、強度比を上記の範囲内とするために、基板温度は500℃~800℃の範囲内であることが好ましい。基板温度が低すぎると、薄膜が結晶化しない傾向にあり、基板温度が高すぎると、窒素が脱離する傾向にある。 During film formation, it is preferable to heat the substrate in order to crystallize the thin film. The substrate temperature during film formation may be determined according to the constituent elements and composition of the thin film, but in this embodiment, in order to keep the intensity ratio within the above range, the substrate temperature is preferably within the range of 500°C to 800°C. If the substrate temperature is too low, the thin film tends not to crystallize, and if the substrate temperature is too high, nitrogen tends to be desorbed.

また、強度比を上記の範囲内とするために、高周波電力(印加電力)は50W~300Wの範囲内であることが好ましい。高周波電力が小さすぎると、成膜レートが顕著に低下する傾向がある。一方、高周波電力が大きすぎると、異常粒成長により特性が低下する傾向がある。 In order to keep the intensity ratio within the above range, it is preferable that the high frequency power (applied power) is within the range of 50 W to 300 W. If the high frequency power is too small, the film formation rate tends to decrease significantly. On the other hand, if the high frequency power is too large, abnormal grain growth tends to cause the characteristics to decrease.

ターゲットとして、酸化物を用いる場合、成膜時の雰囲気ガスは、酸素ガスおよび窒素ガスを少なくとも含む。このような雰囲気ガスを用いることにより、得られる薄膜の絶縁特性が確保され、誘電体としての薄膜が得られる。本実施形態では、強度比を上記の範囲内とするために、酸素ガス圧は0.01Pa以上0.1Pa以下の範囲内であることが好ましい。酸素ガス圧を上記の範囲内とすることにより、結晶中において対称性の低下が生じやすくなり、強度比を上記の範囲内とすることが容易となる。同様に、窒素ガス圧は0.01Pa以上0.1Pa以下の範囲内であることが好ましい。 When an oxide is used as the target, the atmospheric gas during film formation contains at least oxygen gas and nitrogen gas. By using such an atmospheric gas, the insulating properties of the resulting thin film are ensured, and a thin film as a dielectric is obtained. In this embodiment, in order to keep the intensity ratio within the above range, the oxygen gas pressure is preferably in the range of 0.01 Pa or more and 0.1 Pa or less. By keeping the oxygen gas pressure within the above range, a decrease in symmetry is more likely to occur in the crystal, making it easier to keep the intensity ratio within the above range. Similarly, the nitrogen gas pressure is preferably in the range of 0.01 Pa or more and 0.1 Pa or less.

また、雰囲気ガスと別にArガス等の不活性ガスを導入すると良い。Arガスはターゲットから原子をたたき出すのに使用されるため、プラズマが安定に維持される圧力を得るために必要な量を導入すると良い。なお、プラズマが安定に維持される状態は入力電圧とArガス圧に依存するため、チャンバーの大きさおよびターゲットのサイズに合わせてそれらを調整すればよい。 It is also a good idea to introduce an inert gas such as Ar gas separately from the atmospheric gas. Since Ar gas is used to knock atoms out of the target, it is a good idea to introduce the amount necessary to obtain a pressure at which the plasma can be maintained stably. Note that the state at which the plasma can be maintained stably depends on the input voltage and Ar gas pressure, so these can be adjusted according to the size of the chamber and the size of the target.

また、本実施形態では、成膜時に、金属酸化物薄膜を経由せず、金属酸窒化物を基板上に直接成膜してもよいし、金属酸化物薄膜を成膜し、成膜した金属酸化物薄膜の結晶構造内に窒素を導入して金属酸窒化物薄膜を得てもよい。どちらの場合であっても、窒化処理として、金属酸化物膜の成膜時に窒素ラジカルを成膜室に導入する方法、窒素ガスなどを用いる反応性スパッタを用いる方法、プラズマ窒化により活性化された窒素を用いる方法等を用いることが可能である。 In addition, in this embodiment, during film formation, the metal oxynitride may be formed directly on the substrate without passing through a metal oxide thin film, or a metal oxide thin film may be formed and nitrogen may be introduced into the crystal structure of the formed metal oxide thin film to obtain a metal oxynitride thin film. In either case, the nitriding process can be performed by introducing nitrogen radicals into the film formation chamber during metal oxide film formation, by using reactive sputtering using nitrogen gas, or by using nitrogen activated by plasma nitridation.

このような方法によれば、毒性のある気体を使用せずに金属酸窒化物薄膜を成膜できるので、好ましい。また、金属窒化物薄膜の部分酸化処理なども用いることが可能である。本実施形態では、金属酸化物の原料を用いて成膜する際に、窒化に用いる窒素を導入して、金属酸窒化物を得ることが好ましい。 This method is preferable because it allows the deposition of a metal oxynitride thin film without using toxic gases. It is also possible to use partial oxidation treatment of the metal nitride thin film. In this embodiment, it is preferable to obtain a metal oxynitride by introducing nitrogen to be used for nitridation when depositing the film using a metal oxide raw material.

このようにして得られる金属酸窒化物薄膜は、誘電体として働く堆積膜である。 The metal oxynitride thin film obtained in this way is a deposited film that acts as a dielectric.

次に、本実施形態では、形成した金属酸窒化物薄膜53上に、公知の成膜法を用いて上部電極を構成する材料の薄膜を形成して第2の電極54を形成する。 Next, in this embodiment, a thin film of a material that constitutes the upper electrode is formed on the formed metal oxynitride thin film 53 using a known film formation method to form the second electrode 54.

以上の工程を経て、図1に示すように、基板51上に、キャパシタ部(第2の電極52、金属酸窒化物薄膜53および第2の電極54)が形成された薄膜キャパシタ1が得られる。 Through the above steps, a thin-film capacitor 1 is obtained in which a capacitor portion (second electrode 52, metal oxynitride thin film 53, and second electrode 54) is formed on a substrate 51, as shown in FIG. 1.

(3.本実施形態のまとめ)
本実施形態では、金属酸窒化物は、中心対称性を示す回折を生じる領域と非中心対称性を示す回折を生じる領域とを有している。中心対称性を示す回折を生じる領域は、非中心対称性を有する配置から構成されており、微視的に見ると、非中心対称性に起因する自発分極が生じているものの、非中心対称性を有する配置はランダムな方向に存在しているので、生じる自発分極は打ち消される。その結果、非中心対称性を有する配置から構成されているにもかかわらず、中心対称性を示す回折が生じる。したがって、当該領域全体では自発分極は生じないので、当該領域は常誘電性である。
(3. Summary of the present embodiment)
In this embodiment, the metal oxynitride has a region that generates centrosymmetric diffraction and a region that generates non-centrosymmetric diffraction. The region that generates centrosymmetric diffraction is composed of a non-centrosymmetric arrangement, and when viewed microscopically, spontaneous polarization occurs due to the non-centrosymmetric arrangement, but the non-centrosymmetric arrangement exists in a random direction, so the spontaneous polarization that occurs is canceled. As a result, despite being composed of a non-centrosymmetric arrangement, centrosymmetric diffraction occurs. Therefore, since no spontaneous polarization occurs in the entire region, the region is paraelectric.

一方、非中心対称性を有する配置が秩序を持っている存在している領域が、自発分極が生じる程度に大きいので、当該領域では、結合長さが異なる2種の陰イオンの変位により自発分極が生じている。したがって、当該領域は強誘電性である。 On the other hand, there are regions in which the non-centrosymmetric arrangement is ordered and is large enough for spontaneous polarization to occur, and in these regions, spontaneous polarization occurs due to the displacement of two types of anions with different bond lengths. Therefore, these regions are ferroelectric.

その結果、中心対称性を示す回折を生じる領域と非中心対称性を示す回折を生じる領域との両方が存在していることにより、金属酸窒化物は、全体として強誘電性を示しつつ、誘電損失が小さい。したがって、強誘電性を利用する用途に好適でありながら、常誘電体の特徴である誘電損失の小ささを兼ね備えることができる。 As a result, due to the presence of both regions that produce centrosymmetric diffraction and regions that produce non-centrosymmetric diffraction, the metal oxynitride as a whole exhibits ferroelectricity while having small dielectric loss. Therefore, it is suitable for applications that utilize ferroelectricity, while also being able to combine the small dielectric loss that is a characteristic of paraelectrics.

また、非中心対称性に起因する分極は2種の陰イオンの変位により実現されているので、結晶の歪みが、陽イオンの変位により生じる歪みよりも小さい。したがって、強誘電性と誘電損失とを両立することが容易である。 In addition, since the polarization caused by non-centrosymmetrical crystals is realized by the displacement of two types of anions, the distortion of the crystal is smaller than that caused by the displacement of cations. Therefore, it is easy to achieve both ferroelectricity and dielectric loss.

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の範囲内において種々の態様で改変しても良い。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments and may be modified in various ways within the scope of the present invention.

以下、実施例において、本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail in the following examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

(実験1)
まず、成膜用原料としてのターゲットの原料として、炭酸ストロンチウム(SrCO)、炭酸バリウム(BaCO)、酸化ランタン(La)、酸化チタン(TiO)および酸化タンタル(Ta)を準備した。準備した原料を、表1に示す組成(実施例1~14および比較例1~5)になるように秤量した。秤量後の原料を、溶媒としてのエタノールとともに湿式ボールミルにて16時間混合を行った。得られた混合スラリーを恒温乾燥機にて80℃で12時間乾燥した。得られた混合物を乳鉢にて軽く解砕し、セラミック製のるつぼにいれ電気炉で1000℃、大気雰囲気中で2時間熱処理し、仮焼物を得た。
(Experiment 1)
First, strontium carbonate (SrCO 3 ), barium carbonate (BaCO 3 ), lanthanum oxide (La 2 O 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), and tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) were prepared as target materials for film formation. The prepared materials were weighed to have the compositions shown in Table 1 (Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 to 5). The weighed materials were mixed with ethanol as a solvent in a wet ball mill for 16 hours. The resulting mixed slurry was dried at 80°C for 12 hours in a thermostatic dryer. The resulting mixture was lightly crushed in a mortar, placed in a ceramic crucible, and heat-treated in an electric furnace at 1000°C in the air for 2 hours to obtain a calcined product.

得られた仮焼物を、溶媒としてのエタノールとともに湿式ボールミルにて16時間粉砕を行い、粉砕後スラリーを恒温乾燥機にて80℃で12時間乾燥し粉砕物を得た。得られた粉砕物に対し、バインダーとしてポリビニールアルコール溶液を溶液中の固形物換算で0.6重量%添加、混合し造粒物を得た。造粒物を直径約23mm、高さ約9mmの円柱形状に成形し成形物を得た。成形物を電気炉にて、大気雰囲気中1400℃で2時間焼成し、焼結体を得た。得られた焼結体の上面および下面を鏡面研磨し、焼結体の高さを5mmとした成膜用ターゲットを得た。 The calcined product was ground in a wet ball mill with ethanol as a solvent for 16 hours, and the ground slurry was dried in a thermostatic dryer at 80°C for 12 hours to obtain a ground product. A polyvinyl alcohol solution was added as a binder to the ground product in an amount of 0.6% by weight (calculated as the solid matter in the solution) and mixed to obtain a granulated product. The granulated product was molded into a cylindrical shape with a diameter of approximately 23 mm and a height of approximately 9 mm to obtain a molded product. The molded product was fired in an electric furnace in an air atmosphere at 1400°C for 2 hours to obtain a sintered body. The top and bottom surfaces of the obtained sintered body were mirror-polished to obtain a film-forming target with a height of 5 mm.

上記のように得られた成膜用ターゲットを成膜装置に設置し、続いて、ターゲットに対向するよう表面に第1の電極としてPt膜を有するSi基板を設置した。窒素ラジカルを導入したスパッタリング法で厚さ500nmとなるように金属酸窒化物薄膜を成膜した。雰囲気ガスはAr、N、Oを用いた。 The film-forming target obtained as described above was placed in a film-forming apparatus, and then a Si substrate having a Pt film as a first electrode on its surface was placed facing the target. A metal oxynitride thin film was formed to a thickness of 500 nm by a sputtering method using nitrogen radicals. Ar, N2 , and O2 were used as atmospheric gases.

成膜条件は、基板温度を600℃、酸素ガス圧および窒素ガス圧を0.01Pa、プラズマ印加電力を150Wとし、実施例1~14および比較例2~5については、Arにより調整した全圧を2Pa以上とし、比較例1については、Arにより調整した全圧を1Pa以下とした。 The deposition conditions were a substrate temperature of 600°C, oxygen gas pressure and nitrogen gas pressure of 0.01 Pa, and plasma applied power of 150 W. For Examples 1 to 14 and Comparative Examples 2 to 5, the total pressure adjusted with Ar was 2 Pa or more, and for Comparative Example 1, the total pressure adjusted with Ar was 1 Pa or less.

次に、バルクの試料を以下のようにして作製した。まず、原料粉末として、炭酸ストロンチウム(SrCO)粉末および酸化タンタル(Ta)粉末を準備した。準備した粉末を、組成式SrTaONで表される金属酸窒化物が得られるように秤量した。 Next, a bulk sample was prepared as follows. First, strontium carbonate ( SrCO3 ) powder and tantalum oxide ( Ta2O5 ) powder were prepared as raw material powders . The prepared powders were weighed so as to obtain a metal oxynitride represented by the composition formula SrTaO2N .

秤量したSrCO粉末およびTa粉末をエタノールで湿式混合し、1200℃-10時間の条件で仮焼きを空気中で2回行い、固相反応により、SrおよびTaを有する酸化物前駆体を得た。 The weighed SrCO 3 powder and Ta 2 O 5 powder were wet mixed with ethanol and calcined twice in air at 1200° C. for 10 hours to obtain an oxide precursor having Sr and Ta by a solid-phase reaction.

続いて、得られた酸化物の前駆体に対して窒化処理を2回行い、組成式SrTaONで表される金属酸窒化物粉末を得た。窒化処理では、NHの供給速度を100ml/minとし、加熱温度を1000℃とし、加熱時間を20時間とした。 Subsequently, the obtained oxide precursor was subjected to nitriding treatment twice to obtain a metal oxynitride powder represented by the composition formula SrTaO 2 N. In the nitriding treatment, the NH 3 supply rate was set to 100 ml/min, the heating temperature was set to 1000° C., and the heating time was set to 20 hours.

得られた金属酸窒化物粉末をボールミルにより16時間湿式粉砕した乾燥させた。乾燥後の金属酸窒化物粉末100質量%に対して、バインダーとしてポリビニールアルコールを0.6質量%添加して造粒し、造粒粉を得た。得られた造粒粉を金型に投入してプレス成形を行い、成形体を得た。 The obtained metal oxynitride powder was wet-pulverized in a ball mill for 16 hours and dried. 0.6% by mass of polyvinyl alcohol was added as a binder to 100% by mass of the dried metal oxynitride powder, and the mixture was granulated to obtain a granulated powder. The obtained granulated powder was placed in a mold and press-molded to obtain a molded body.

得られた成形体をN雰囲気下で焼成し、バルクの金属酸窒化物焼成体を得た。焼成条件は、保持温度を1400℃とし、保持時間を16時間とした。 The obtained compact was sintered under N2 atmosphere to obtain a bulk metal oxynitride sintered body. The sintering conditions were a holding temperature of 1400°C and a holding time of 16 hours.

得られた金属酸窒化物薄膜および金属酸窒化物焼成体について、下記に示す方法によりXRD測定を行い、X線回折チャートを得た。得られたX線回折チャートにおいて、2θが20°から25°の範囲内に現れる最強回折ピークは、ABOの(002)面の回折ピークであり、2θが44°から50°の範囲内に現れる最強回折ピークは、ABOの(220)面の回折ピークであった。(220)面の回折ピークの強度に対する(002)面の回折ピークの強度(強度比)を算出した。 The obtained metal oxynitride thin film and the fired metal oxynitride body were subjected to XRD measurement by the method described below to obtain X-ray diffraction charts. In the obtained X-ray diffraction charts, the strongest diffraction peak appearing in the range of 2θ from 20° to 25° was the diffraction peak of the (002) plane of ABO x N y , and the strongest diffraction peak appearing in the range of 2θ from 44° to 50° was the diffraction peak of the (220) plane of ABO x N y . The intensity (intensity ratio) of the diffraction peak of the (002) plane relative to the intensity of the diffraction peak of the (220) plane was calculated.

一方、中心対称性を有する構造のみから構成されるABOにおいて、(220)面の回折ピークの強度に対する(002)面の回折ピークの強度(強度比)は、メインピークの強度を100とすると20.4/21.9=0.93であった。この値をリファレンス(100%)として、各実施例および各比較例における強度比の比率を算出した。本実施例では、強度比の比率が80%以下である場合に、ABO中に、中心対称性を示す回折を生じる領域と非中心対称性を示す回折を生じる領域とが存在していると判断した。結果を表1に示す。 On the other hand, in ABO x N y consisting of only a structure having centrosymmetricity, the intensity (intensity ratio) of the diffraction peak of the (002) plane to the diffraction peak of the (220) plane was 20.4/21.9=0.93, assuming the intensity of the main peak to be 100. Using this value as a reference (100%), the ratio of the intensity ratio in each example and each comparative example was calculated. In this example, when the ratio of the intensity ratio was 80% or less, it was determined that there were regions in ABO x N y that caused diffraction exhibiting centrosymmetricity and regions that caused diffraction exhibiting non-centrosymmetricity. The results are shown in Table 1.

なお、バルクの金属酸窒化物焼成体では、強度比の比率が100%であった。すなわち、バルクの金属酸窒化物焼成体は、中心対称性を有する構造のみから構成されていた。また、金属酸窒化物の組成を変化させて金属酸窒化物焼成体を作製したが、どの試料も強度比の比率が100%であった。 The intensity ratio of the bulk sintered metal oxynitride was 100%. In other words, the bulk sintered metal oxynitride was composed only of structures with central symmetry. In addition, sintered metal oxynitride bodies were produced by changing the composition of the metal oxynitride, but the intensity ratio of all samples was 100%.

続いて、得られた金属酸窒化物薄膜について、下記に示す方法により比誘電率および圧電応答の測定を行った。 The dielectric constant and piezoelectric response of the resulting metal oxynitride thin film were then measured using the methods described below.

(比誘電率)
比誘電率は、以下のようにして評価した。まず、得られた試料の金属酸窒化物薄膜上に、Agを直径100μmで蒸着し、上部電極とした。続いて、上部電極が形成された試料に対して、基準温度25℃において、周波数1kHzにおいて、上部電極が形成された試料に印加される電界強度が0.5Vrms/μmとなるように交流電圧を印加して測定された静電容量と、誘電体としての金属酸窒化物薄膜の厚みと、から、比誘電率(単位なし)を算出した。本実施例では、比誘電率は150以上である試料を良好であると判断した。結果を表1に示す。これは、たとえばSrTaONにおいて狙いの組成外のSrTaに準じる結晶が形成された場合に得られる比誘電率がおよそ50であり、サンプルや組成のばらつきを鑑みても比誘電率が100を超えることはないためである。比誘電率が100以上であればSrTaONに準じた結晶が形成されたと判断でき、また比誘電率が150以上であれば特に望ましい結晶構造が形成されたと判断できるためである。
(Dielectric constant)
The dielectric constant was evaluated as follows. First, Ag was evaporated to a diameter of 100 μm on the metal oxynitride thin film of the obtained sample to form an upper electrode. Next, an AC voltage was applied to the sample on which the upper electrode was formed at a reference temperature of 25° C. and a frequency of 1 kHz so that the electric field strength applied to the sample on which the upper electrode was formed was 0.5 Vrms/μm, and the dielectric constant (unitless) was calculated from the electrostatic capacitance measured and the thickness of the metal oxynitride thin film as a dielectric. In this example, samples with a dielectric constant of 150 or more were judged to be good. The results are shown in Table 1. This is because, for example, when a crystal equivalent to Sr 2 Ta 2 O 7 , which is outside the target composition, is formed in SrTaO 2 N, the dielectric constant obtained is about 50, and the dielectric constant does not exceed 100 even in consideration of the variation in sample and composition. If the relative dielectric constant is 100 or more, it can be determined that a crystal similar to SrTaO 2 N has been formed, and if the relative dielectric constant is 150 or more, it can be determined that a particularly desirable crystal structure has been formed.

(圧電応答)
圧電応答の測定は、AFMのモードの一つである圧電応答顕微鏡(PRM:Piezo-Response Microscope)を用いた。
(Piezoelectric response)
The piezoelectric response was measured using a Piezo-Response Microscope (PRM), which is one of the modes of AFM.

得られた金属酸窒化物薄膜の表面に所定の電圧を印加し表面を分極させて、図5に示す分極パターンを作成した。具体的には、X1=10μm四方に-1Vの電圧を印加した。次にまたは同時に、中央のX2=7μm四方に+1Vの電圧を印加した。次にまたは同時に、中央のX3=5μm四方に-1Vの電圧を印加した。次にまたは同時に中央のX4=3μm四方に+1Vの電圧を印加した。次にまたは同時に中央のX5=1μm四方に-1Vの電圧を印加した。 A specific voltage was applied to the surface of the obtained metal oxynitride thin film to polarize the surface, creating the polarization pattern shown in Figure 5. Specifically, a voltage of -1V was applied to X1 = 10 μm square. Then, or simultaneously, a voltage of +1V was applied to the central X2 = 7 μm square. Then, or simultaneously, a voltage of -1V was applied to the central X3 = 5 μm square. Then, or simultaneously, a voltage of +1V was applied to the central X4 = 3 μm square. Then, or simultaneously, a voltage of -1V was applied to the central X5 = 1 μm square.

そして、図5に示す分極パターンに、走査周波数0.5Hz、励振電圧(外部交流電場)を-0.3V~+0.3Vの条件で電圧を印加し、PRMにより残留分極による変位が測定できるか否かを評価した。変位が測定される場合には、金属酸窒化物が圧電応答している。結果を表1に示す。 A voltage was then applied to the polarization pattern shown in Figure 5 at a scanning frequency of 0.5 Hz and an excitation voltage (external AC electric field) of -0.3 V to +0.3 V to evaluate whether or not the displacement due to remnant polarization could be measured by PRM. If the displacement could be measured, the metal oxynitride was responding piezoelectrically. The results are shown in Table 1.

Figure 0007569698000001
Figure 0007569698000001

表1より、中心対称性を示す回折を生じる領域と、非中心対称性を示す回折を生じる領域とが存在し、所定の組成および平均イオン価数を満足している場合には、金属酸窒化物薄膜全体として残留分極を有する、すなわち、強誘電性を有していることが確認できた。 From Table 1, it was confirmed that when there are regions that produce centrosymmetric diffraction and regions that produce non-centrosymmetric diffraction, and the specified composition and average ionic valence are satisfied, the metal oxynitride thin film as a whole has remnant polarization, i.e., it has ferroelectricity.

1… 薄膜キャパシタ
51… 基板
52… 第1の電極
53… 金属酸窒化物薄膜
54… 第2の電極
15… 八面体
11… 酸素
12… 窒素
13… Bサイト原子
14… Aサイト原子
REFERENCE SIGNS LIST 1 thin film capacitor 51 substrate 52 first electrode 53 metal oxynitride thin film 54 second electrode 15 octahedron 11 oxygen 12 nitrogen 13 B site atom 14 A site atom

Claims (5)

一般式ABOxyで表され、ペロブスカイト構造を有する金属酸窒化物を含む金属酸窒化物薄膜であって、
前記Aが、バリウム、ストロンチウムおよびランタンからなる群から選ばれる少なくとも1つであり、前記Bがタンタルおよびチタンからなる群から選ばれる少なくとも1つであり、
前記Aが前記ペロブスカイト構造におけるAサイトを占めた場合に示すイオン価数をa、前記Bが前記ペロブスカイト構造におけるBサイトを占めた場合に示すイオン価数をbとした場合、前記aおよびbが6.7≦a+b≦7.3である関係を満足し、
前記一般式中のxおよびyが、
2.000≦x≦3.275、
0.150≦y≦1.000である関係を満足し、
前記金属酸窒化物は、中心対称性を示す回折を生じる領域と、非中心対称性を示す回折を生じる領域と、を有し、
中心対称性を示す回折を生じる領域のみから構成され、前記金属酸窒化物薄膜と同じ組成を有するペロブスカイト型金属酸窒化物に対する、Cu-Kα線をX線源とする粉末X線回折または粉末X線回折シミュレーションにより得られるX線回折パターンにおいて、回折角2θが20°から25°の範囲内に現れ前記ペロブスカイト構造に帰属する回折ピークのうち、最強の回折ピークをP1とし、回折角2θが44°から50°の範囲内に現れ前記ペロブスカイト構造に帰属する回折ピークのうち、最強の回折ピークをP2とし、P2の強度に対するP1の強度比IR r とし、Cu-Kα線をX線源とする面直X線回折および面内X線回折により得られる前記金属酸窒化物薄膜のX線回折パターンにおいて、P2の強度に対するP1の強度比をIRとしたときに、IR r に対するIRの比率Aが0%以上80%以下であり、前記金属酸窒化物薄膜が残留分極を有する金属酸窒化物薄膜。
A metal oxynitride thin film comprising a metal oxynitride having a perovskite structure and represented by the general formula ABO x N y ,
A is at least one selected from the group consisting of barium, strontium, and lanthanum, and B is at least one selected from the group consisting of tantalum and titanium,
When the ionic valence indicated when A occupies the A site in the perovskite structure is a and the ionic valence indicated when B occupies the B site in the perovskite structure is b, the a and b satisfy the relationship 6.7≦a+b≦7.3,
In the general formula, x and y are
2.000≦x≦3.275,
The relationship 0.150≦y≦1.000 is satisfied,
the metal oxynitride has a region that produces centrosymmetric diffraction and a region that produces non-centrosymmetric diffraction,
a perovskite metal oxynitride thin film which is composed only of regions which produce diffraction exhibiting centrosymmetricity and has the same composition as the metal oxynitride thin film, wherein, in an X-ray diffraction pattern obtained by powder X-ray diffraction using Cu-Kα radiation as an X-ray source or powder X-ray diffraction simulation, among the diffraction peaks which appear within a diffraction angle 2θ range of 20° to 25° and which are attributed to the perovskite structure, the strongest diffraction peak is designated as P1, and among the diffraction peaks which appear within a diffraction angle 2θ range of 44° to 50° and which are attributed to the perovskite structure, the strongest diffraction peak is designated as P2, and an intensity ratio of P1 to the intensity of P2 is designated as IR r , and in an X-ray diffraction pattern of the metal oxynitride thin film obtained by perpendicular X-ray diffraction and in-plane X-ray diffraction using Cu-Kα radiation as an X-ray source, the intensity ratio of P1 to the intensity of P2 is designated as IR, wherein a ratio A of IR to IR r is 0% or more and 80% or less, and the metal oxynitride thin film has remanent polarization .
前記中心対称性を示す回折を生じる領域と、前記非中心対称性を示す回折を生じる領域とにおいて、陰イオンの配置秩序範囲が異なる請求項1に記載の金属酸窒化物薄膜。 2. The metal oxynitride thin film according to claim 1 , wherein the region producing centrosymmetric diffraction and the region producing non-centrosymmetric diffraction have different ranges of ordered arrangement of anions. 前記中心対称性を示す回折を生じる領域と、前記非中心対称性を示す回折を生じる領域とは、同じ陽イオンを有している請求項に記載の金属酸窒化物薄膜。 3. The metal oxynitride thin film of claim 2 , wherein the region exhibiting centrosymmetric diffraction and the region exhibiting non-centrosymmetric diffraction have the same cations. 前記xおよび前記yが、
2.450≦x≦3.275、
0.150≦y≦0.700である関係を満足する請求項1からのいずれかに記載の金属酸窒化物薄膜。
The x and y are
2.450≦x≦3.275,
4. The metal oxynitride thin film according to claim 1, which satisfies the relationship: 0.150≦y≦0.700.
請求項1からのいずれかに記載の金属酸窒化物薄膜を備える容量素子。
A capacitive element comprising the metal oxynitride thin film according to claim 1 .
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