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JP2813259B2 - 薄膜誘電体 - Google Patents

薄膜誘電体

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Publication number
JP2813259B2
JP2813259B2 JP3235881A JP23588191A JP2813259B2 JP 2813259 B2 JP2813259 B2 JP 2813259B2 JP 3235881 A JP3235881 A JP 3235881A JP 23588191 A JP23588191 A JP 23588191A JP 2813259 B2 JP2813259 B2 JP 2813259B2
Authority
JP
Japan
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dielectric
thin film
layer
film
thin
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JP3235881A
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English (en)
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JPH0574760A (ja
Inventor
幸祐 寺田
明義 三上
康一 田中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH0574760A publication Critical patent/JPH0574760A/ja
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  • Electroluminescent Light Sources (AREA)
  • Formation Of Insulating Films (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は各種電子デバイス、特
に、EL(エレクトロルミネッセンス)素子、液晶ディ
スプレイ、ICの絶縁膜、中でも主にEL素子に利用さ
れる薄膜誘電体の構造に関するものである。
【0002】
【従来技術】現在、各種電子デバイス、特にEL素子に
利用されている薄膜誘電体は、材料としてSiO2(酸
化シリコン)、Si34(窒化シリコン)、Al2
3(酸化アルミニウム)等を用いた単膜あるいはこれら
を組み合わせた2層程度の積層薄膜が主である。特にS
34系の単層絶縁膜は、非晶質で安定であり、耐圧が
高く均一な発光が得られている。
【0003】しかし、EL素子において、より高輝度
な、あるいは低電圧駆動が可能な素子を作製するには、
SiO2(酸化シリコン)、Si34(窒化シリコ
ン)、Al23(酸化アルミニウム)等より比誘電率の
高い材料、高誘電率材料を用いて薄膜誘電体を形成する
ことが必要である。しかし、高誘電率材料は一般にリー
ク電流が大きく、また耐圧が低いことから、同時に絶縁
破壊対応(長寿命化)が可能な薄膜誘電体を実現させる
必要がある。
【0004】高輝度化、低電圧駆動化とトレードオフの
関係にある絶縁破壊対応(長寿命化)など素子の高性能
化を満たす方法として、SiOx(酸化ケイ素)を高誘
電率体であるHfO2(酸化ハフニウム)による2層構
造やSiOxをHfO2でサンドイッチ状に挟んだ絶縁体
(薄膜誘電体)が、特開平2−195685号公報に開
示されている。また、自己回復型絶縁破壊をする膜と、
比誘電率が140と非常に大きな値のチタン酸ストロン
チウム(SrTiO2)を材料にした伝播型絶縁破壊を
する膜を交互に積層した薄膜誘電体が、特開平2−21
5081号公報に開示されている。しかし、薄膜EL素
子の高輝度を満たして、絶縁破壊に耐えられる薄膜誘電
体は実用化されていない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】電子デバイスの高性能
化、例えばEL素子における高輝度化、低電圧駆動化を
実現するためには、比誘電率が3〜8であるSiO2
Si34、Al23等より高い誘電率をもつ材料による
薄膜誘電体の開発が重要である。中でも、高誘電率材料
であるTa25は比誘電率が24と高く、EL素子にお
いては高輝度化が図れることから、有望な誘電体材料と
して特に研究が盛んである。しかし、高誘電率材料は一
般にリーク電流が大きく耐圧が低いことから、断線(ラ
イン状欠陥)が生じやすく、実際のデバイスに利用する
場合、信頼性の面で問題が生じていた。
【0006】本発明は、Ta 2 5 と、Al 2 3 またはS
3 4 とを交互に積層することにより、高い誘電率を有
し、耐圧が高く、リーク電流が少ない、長寿命の薄膜誘
電体を提供することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するためにTa2 5 よる薄膜と、Al23 また
Si3 4 らなる薄膜を、交互に積層するとともに、
積層膜が4層以上、好ましくは18層以上であることを
特徴とする薄膜誘電体である。
【0008】
【作用】2つの誘電体材料による積層薄膜誘電体の比誘
電率は、それぞれの材料の比誘電率と構成比により計算
することができる。一方の誘電体材料の比誘電率を
ε1、構成比(膜厚の比)をA%、他方の比誘電率を
ε2、構成比を(100−A)%とすると、積層薄膜誘
電体の比誘電率は次式で表せられる。
【0009】 100ε1ε2/〔ε1(100−A)+ε2A〕‥‥‥‥‥‥‥(1) 本発明の薄膜誘電体は、Ta 2 5 などの高誘電率誘電体
材料が共存することにより、(式1)で示されるよう
に、Al 2 3 またはSi 3 4 などの高耐圧・低リーク電
流誘電体材料のみの場合に比べ、比誘電率が高くなる。
そして高誘電率誘電体材料の比誘電率、構成比を大きく
することによって、より高い誘電率の薄膜誘電体を提供
することが出来、EL素子に応用した場合、輝度アッ
プ、あるいは駆動電圧の低電圧化を図ることができる。
【0010】また、本発明の薄膜誘電体の耐圧及びリー
ク電流は、Al 2 3 またはSi 3 4 などの高耐圧・低リ
ーク電流誘電体材料層が共存することにより、Ta 2 5
などの高誘電率誘電体材料のみの場合に比べ、改善さ
れ、さらには積層数を増やすことによって、より改善さ
れる。
【0011】この理由については、薄膜誘電体における
積層の不連続性即ち異種材料の境界面が電子の動きを妨
げることにより、膜中を流れる電流が減少し、リーク電
流の低減、耐圧の向上が実現されるものと考えられる。
【0012】
【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて
詳細に説明する。これによって、本発明が限定されるも
のではない。
【0013】〔実施例1〕図1は、本発明の薄膜誘電体
の基本特性を測定するために作製した薄膜誘電体の一実
施例の断面図である。本実施例では、高誘電率誘電体材
料としてTa25を用い、高耐圧・低リーク電流誘電体
材料としてAl23を用い、交互に積層して薄膜誘電体
を作製した。ガラス基板1の上にITO(インジウムス
ズ酸化物)からなるストライプ状の透明電極2を高周波
スパッタ法により膜厚2000Åで形成し、この上に高
周波スパッタ法によりTa25層3とAl23層4を交
互に繰り返して積層し、一般に電子デバイスとして用い
られる膜厚500〜10000Åの薄膜誘電体5を作製
した。作製した薄膜誘電体5の誘電率は、Ta25とA
23の構成比により決められ、Ta25、Al23
構成比がそれぞれ50%とした膜の比誘電率の実測値は
11〜12であり、(式1)に基づく計算値とほぼ一致
している。最後に、薄膜誘電体5の上に、アルミニウム
による背面電極6を形成した。
【0014】図2は、本実施例において薄膜誘電体の積
層数を変えて、電界強度とリーク電流の関係を測定した
結果である。図2には、Ta25単層の場合、及び薄膜
誘電体5の積層数が2層(Ta25層とAl23層が各
1層)、6層(Ta25層とAl23層が各3層)、1
8層(Ta25層とAl23層が各9層)で、Ta
25、Al23の構成比がそれぞれ50%の場合を示し
ており、薄膜誘電体全体の膜厚は一定である。Al23
層がTa25層の間に存在することで、Ta25単層の
場合に比べてリーク電流が減少し、また同時に積層数を
増やすことによってリーク電流がより減少している。
【0015】図3は、本実施例における薄膜誘電体の直
流耐圧と積層数の関係を示すグラフである。白丸は、透
明電極2が正極で背面電極6が負極の場合であり、黒丸
は、透明電極2が負極で背面電極6が正極の場合であ
る。透明電極2と背面電極6の極性の違いにより薄膜誘
電体5の耐圧に差が生じているが、透明電極2を負極
(黒丸で示す)にした場合は、Ta25層のみの場合に
比べ耐圧が全てにおいて向上している。背面電極6を負
極(白丸で示す)にすると、薄膜誘電体5の積層数が2
層と少ない場合は、逆にTa25層のみの場合に比べ耐
圧が低下するが、薄膜誘電体の積層数を4層以上に増や
すことにより耐圧がTa25層のみの場合(図3に示す
Ta25単層膜の耐圧水準値)より向上する。さらに積
層数を18層以上にすることにより、高耐圧誘電体材料
であるAl23単層膜の耐圧水準(透明電極2が負極の
ときは8MV/cm、背面電極6が負極のときは6MV/
cm)の90%以上の耐圧値が得られることから、薄膜誘
電体は18層以上にすることが好ましい。
【0016】〔実施例2〕図4は、薄膜EL素子に応用
した本発明の実施例の多層積層薄膜誘電体の断面図であ
る。本実施例では、高誘電率誘電体材料としてTa25
を用い、高耐圧・低リーク電流誘電体材料としてAl2
3を用い、交互に積層して薄膜誘電体を作製した。ガ
ラス基板11の上にITO(インジウムスズ酸化物)か
らなるストライプ状の透明電極12を高周波スパッタ法
により膜厚2000Åで形成し、この上に高周波スパッ
タ法によりTa25層13とAl23層14を交互に繰
り返して積層し、一般に薄膜EL素子に用いられる膜厚
1000〜3000Åの薄膜誘電体による第1の絶縁層
15を作製した。次に第1の絶縁層15の上に、Zn
S:Mn(0.5wt%)を電子ビーム蒸着法により、
発光層16を膜厚4500Åで形成した。次に、第1の
絶縁層15と同じく、高周波スパッタ法によりAl23
層17とTa25層18を交互に繰り返して発光層16
の上に積層した後、Al23層19を積層し、一般に薄
膜EL素子に用いられる膜厚1000〜3000Åの薄
膜誘電体による第2の絶縁層20を作製した。最後に、
第2の絶縁層20の上に、アルミニウムによる背面電極
21を膜厚2000Åで形成し、薄膜EL素子を作製し
た。
【0017】以上のように、本発明の薄膜誘電体は、高
誘電率誘電体材料であるTa25と高耐圧・低リーク電
流誘電体材料であるAl23の多層積層膜で形成されて
いるので、誘電率が高くて、耐圧の高い絶縁層を形成す
ることができ、薄膜EL素子の絶縁層(第1の絶縁層1
5と第2の絶縁層20)へ応用すると、薄膜EL素子に
おける輝度をアップさせ、低電圧駆動とともに長寿命化
を図ることが出来る。
【0018】上記実施例2は、薄膜EL素子への利用に
ついて説明したが、本発明の薄膜誘電体は、薄膜EL素
子に限るものではなく、液晶ディスプレイ、ICの絶縁
膜にも利用出来るものである。
【0019】
【発明の効果】本発明により、高誘電率で、高耐圧、低
リーク電流薄膜誘電体が得られ、長寿命で、低電圧駆動
の高性能の電子デバイスに応用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例による薄膜誘電体の要部の断
面図である。
【図2】本発明の一実施例による薄膜誘電体の積層数を
変えたときの電界強度とリーク電流の関係を示す。
【図3】本発明の一実施例による薄膜誘電体の直流耐圧
と積層数の関係を示す。
【図4】本発明を薄膜EL素子に応用した実施例の要部
断面図である。
【符号の説明】
1 ガラス基板 2 透明電極 3 Ta25層 4 Al23層 5 薄膜誘電体 6 背面電極 11 ガラス基板 12 透明電極 13 Ta25層 14 Al23層 15 第1の絶縁層 16 発光層 17 Al23層 18 Ta25層 19 Al23層 20 第2の絶縁層 21 背面電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/316 H01L 21/318 H05B 33/22

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 異なる2種類の誘電体材料を交互に積層
    することにより形成される薄膜誘電体において、 前記薄膜誘電体が、酸化タンタル(Ta 2 5 による膜
    と、酸化アルミニウム(Al 2 3 )または窒化シリコン
    (Si 3 4 による膜を交互に積層されてなるものであ
    り、かつ前記薄膜誘電体が4層以上の多層積層膜である
    ことを特徴とする薄膜誘電体。
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