JP2001167975A - 薄膜コンデンサとその製造方法、及び薄膜コンデンサを備えるコンピュータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 １ＧＨｚ以上の高周波領域でも静電容量の低
下が小さい薄膜コンデンサを提供する。 【解決手段】 下部電極２６上にペロブスカイト型酸化
物からなる誘電体薄膜を形成し、その後、水素を含む雰
囲気における熱処理、上部電極と下部電極との間にペロ
ブスカイト型酸化物の抗電界以上の直流電界を１秒以上
印加する処理、上部電極と下部電極との間にペロブスカ
イト型酸化物の抗電界以上の電界を正負交互に１０⁵回
以上印加する処理のいずれかを行い、誘電体薄膜の残留
分極値を２．０μＣ／ｃｍ²以下にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ペロブスカイト型
結晶構造を有する強誘電体を用いた薄膜コンデンサ及び
その製造方法、並びに薄膜コンデンサを用いたメインフ
レームコンピュータに関する。

【０００２】

【従来の技術】マルチチップモジュールプロセッサは、
ＬＳＩ等の集積回路をマトリックス状に配列して構成さ
れる。ＬＳＩは動作速度の高速化が進んでいるが、駆動
周波数が増大すると、モジュールの配線から発生するイ
ンダクタンスによりＬＳＩへの電源電圧に変動が生じ、
ＬＳＩが誤動作する問題がある。そこで、ＬＳＩの誤動
作を防止するために電源パスのＬＳＩ近傍にコンデンサ
を配置すれば、電源電圧変動を抑制できる。近年、ＬＳ
Ｉの高速化に加えて、モジュールとしての高集積化が進
んでおり、モジュール上でのＬＳＩ配置の問題から、電
源変動を抑制するコンデンサの小型化、さらには基板に
内蔵する基板内蔵薄膜コンデンサへと移行が進んでい
る。

【０００３】この薄膜コンデンサには、高容量が益々必
要となってきていることから、コンデンサの絶縁材料と
して、高い誘電率を有する酸化物材料の適用が試みられ
ている。また、ＬＳＩの高速化に対応し、動作周波数が
増大しても誘電率が低下しないことが重要である。例え
ば、特開平１１−５４３６０号公報には、複合ペロブス
カイト酸化物であるＰｂ（Ｍｇ_1/3，Ｎｂ_2/3）Ｏ₃（以
下、ＰＭＮと略す）をベースとした材料を誘電体薄膜と
して使用する薄膜コンデンサが開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、動作
周波数が１００ＭＨｚ程度までの領域での高誘電率維持
について考慮されているが、１ＧＨｚを超える高周波領
域での誘電率低下抑制については考慮されていなかっ
た。例えば、上記従来技術において、ＰＭＮ系材料はリ
ラクサ材料であるため、キュリー温度以上である常温に
おいても強誘電性を示すが、この強誘電性が高周波領域
での誘電率低下を引き起こす１つの原因と考えられる。
強誘電体では、外部電界の存在下で分極した状態が、外
部電界を無くした場合も残留する、すなわち残留分極が
存在する。この残留分極が大きい場合、言い換えれば強
誘電性が強い場合は、分極壁が多く存在するので、高周
波領域で分極状態の正負の移動の妨げとなり高い誘電率
が維持できなくなる問題が生じる。このことは、高誘電
率を有する他の強誘電体酸化物、例えばＰｂ（Ｚｒ，Ｔ
ｉ）Ｏ₃、ＢａＴｉＯ₃、Ｂａ（Ｓｒ，Ｔｉ）Ｏ₃、等で
も同様であり、１ＧＨｚ以上の高周波領域で使用する薄
膜コンデンサ材料としては、高誘電率を維持するという
点において、不十分であった。

【０００５】さらに、強誘電性の強い強誘電体酸化物を
コンデンサ材料として用いた場合、誘電損失が大きいと
いう問題があった。誘電損失も分極壁が存在することに
よって大きくなり、そのことによって発熱等のエネルギ
ーロスが発生していた。

【０００６】本発明は、従来技術の上記問題点に鑑みて
なされたものである。本発明の目的は、本来強誘電性を
有している酸化物薄膜の強誘電性を低下させる、あるい
は無くすことによって、強誘電体酸化物の高誘電率を大
きく損なうことなく、常誘電体のような振る舞いをさせ
て、１ＧＨｚ以上の高周波領域での誘電率低下の無い薄
膜コンデンサを提供することである。本発明の他の目的
は、上記酸化物薄膜を使用することにより、誘電損失が
小さい薄膜コンデンサを提供することである。また、本
発明の他の目的は、ＬＳＩ誤動作が少なく信頼性の高い
メインフレームコンピュータを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による薄膜コンデ
ンサは、上部電極と、誘電体薄膜と、下部電極とを有す
る薄膜コンデンサにおいて、上部電極と下部電極の間に
印加する電圧の周波数が１ｋＨｚ以下の場合の低周波比
誘電率が５００以上であり、前記周波数を１ＧＨｚにし
た場合の高周波比誘電率が低周波比誘電率の値の８０％
以上であることを特徴とする。

【０００８】誘電体薄膜は常圧において常温以上のキュ
リー温度を有するペロブスカイト型酸化物とすることが
できる。ここで、キュリー温度とは、ペロブスカイト型
誘電体が正方晶から立方晶に相転移する温度である。キ
ュリー温度よりも低温では、単位格子は正方晶となり、
自発分極を有する強誘電体となる。従って、常圧におい
て常温以上のキュリー温度を有するペロブスカイト型誘
電体は、常圧、常温において一般的に強誘電体となる。

【０００９】本発明による薄膜コンデンサは、また、上
部電極と、誘電体薄膜と、下部電極とを有する薄膜コン
デンサにおいて、誘電体薄膜は常圧において常温以上の
キュリー温度を有するペロブスカイト型酸化物であり、
誘電体薄膜の残留分極値が２．０μＣ／ｃｍ²以下であ
ることを特徴とする。残留分極値２．０μＣ／ｃｍ²以
下は、本来強誘電性を有する強誘電体薄膜において、強
誘電性を失わせるような処理を行うことによって実現す
る。ここで残留分極値とは、強誘電体薄膜に抗電界以上
の電界を付与した後、外部電界をゼロにした時に有して
いる自発分極量を指す。抗電界以上の外部電界の印加方
向を正、負の両方とした場合、それぞれ正負の残留分極
が発生するが、ここでの残留分極値は、これらの絶対値
の平均値と定義する。すなわち、強誘電体薄膜のキャパ
シタのＤ−Ｅ特性を測定した場合の２Ｐｒの半分、Ｐｒ
をここでの残留分極値と定義する。

【００１０】前記誘電体薄膜は、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ
₃、Ｐｂ（Ｍｇ_1/3，Ｎｂ_2/3）Ｏ₃、ＰｂＴｉＯ₃、Ｂａ
ＴｉＯ₃、Ｂａ（Ｓｒ，Ｔａ）Ｏ₃、ＳｒＢｉ₂Ｔａ
₂Ｏ₉、ＳｒＢｉ₂Ｎｂ₂Ｏ₉のうちのいずれか１種の、あ
るいはこれらを２種以上組み合わせたペロブスカイト型
酸化物を主構成相とすることができる。ここに示したペ
ロブスカイト型酸化物は、常温で高い誘電率を有するた
め、薄膜コンデンサとしての使用に好適である。また、
これらのペロブスカイト型酸化物を混合して用いる場
合、立方晶から正方晶に構造変化する相転移温度のキュ
リー点を移動させることが可能となる。ペロブスカイト
酸化物の誘電率は、キュリー温度等の相転移温度付近で
極大値を持つため、キュリー温度を常温付近に移動させ
たり、キュリー温度に見かけ上温度範囲を持たせたりす
ることで、強誘電体薄膜の常温付近での誘電率を向上さ
せることが可能となる。従って、上記ペロブスカイト酸
化物を混合して用いることが有効となる。また同様の理
由で、上記ペロブスカイト酸化物に微量の添加元素、置
換元素を添加する場合もあるが、これらの改良ペロブス
カイト酸化物を用いた場合でも、本発明の範囲に含まれ
るものである。

【００１１】本発明による薄膜コンデンサの製造方法
は、上部電極と、誘電体薄膜と、下部電極とを有する薄
膜コンデンサの製造方法において、下部電極上に、常圧
において常温以上のキュリー温度を有するペロブスカイ
ト型酸化物からなる誘電体薄膜を形成し、その後、誘電
体薄膜の残留分極値を２．０μＣ／ｃｍ²以下にするた
めの処理を行うことを特徴とする。

【００１２】例えば、下部電極上に強誘電体薄膜を形成
した後、或いは、その上に上部電極まで形成した後に、
水素を含む雰囲気で熱処理を行うことで、強誘電体薄膜
の残留分極値を２．０μＣ／ｃｍ²以下にすることがで
きる。この場合、熱処理雰囲気中の水素によって、ペロ
ブスカイト強誘電体薄膜が一部還元され、結晶中に酸素
欠陥が生成される。この酸素欠陥は、負イオンの酸素が
欠落したことにより生成したため、正の電荷を持ってい
る。この電荷によって、強誘電体の分極が外部電界に対
して本来の挙動を示すことができず、ある方向に固定さ
れることになる。従って、この方法によって、強誘電体
薄膜の強誘電性を低下させることができる。

【００１３】また、強誘電体薄膜の強誘電性を失わせる
ために、上部電極まで形成した後に、上部電極と下部電
極の間に強誘電体薄膜の抗電界以上の電界を直流電圧と
して１秒以上印加する方法や、上部電極と下部電極の間
に抗電界以上の電界を正負交互に１０⁵回以上印加する
方法を用いても良い。これら２つの方法は、先の水素に
よる熱処理と同様、正の電荷を持つ酸素欠陥を生成、あ
るいは強誘電体膜内を移動させ分布させることにより、
強誘電性を低下させる効果を有する。

【００１４】これらの方法では、前述の様に、酸素欠陥
によって強誘電体の強誘電性を低下させることが可能で
あるが、同時にペロブスカイト酸化物のもつ高い誘電率
も、ある程度低下させてしまう場合がある。このような
強誘電性の低下に伴う誘電率の低下を回復させるため
に、強誘電性低下のための処理を行った後に、回復の熱
処理を行うことが有効である。これは２００℃以上、５
００℃以下の温度での酸素含有雰囲気の熱処理であり、
この処理によって、一旦低下した誘電率が回復する。こ
の回復熱処理の温度が５００℃を超えると、強誘電性ま
で回復してしまい、本発明の目的に対して好ましくな
い。また、回復熱処理温度が２００℃よりも低い場合
は、誘電率の回復効果が得られない。

【００１５】本発明によるコンピュータは、複数のＬＳ
Ｉと、多層セラミックス基板と、ＬＳＩと多層セラミッ
クス基板とを接続するために配置されたマイクロチップ
キャリアとを備えるマルチチップモジュールプロセッサ
を搭載するコンピュータにおいて、マイクロチップキャ
リアが前述の薄膜コンデンサを備えることを特徴とす
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。 〔実施例１〕図１は、本発明による薄膜コンデンサの断
面模式図である。また、図２は、本発明による薄膜コン
デンサの製造プロセスの一例を示す流れ図である。

【００１７】基板１１には熱酸化で形成したＳｉＯ₂層
を含むＳｉウエハ基板を用いた。図２（ａ）に示すよう
に、基板温度を３００℃に加熱してスパッタ法で膜厚１
７００ÅのＰｔ層を形成し、下部電極２６とした。この
下部電極２６と基板１１の間に、下部電極の密着性を確
保するためのバッファ層として、Ｔｉ等の薄膜を挿入し
てもよい。

【００１８】図２（ｂ）に示すように、下部電極２６上
に、強誘電体薄膜３０としてＰｂ（Ｚｒ_0.4Ｔｉ_0.6）Ｏ
₃（以下、ＰＺＴと略す）を形成した。強誘電体薄膜の
製造方法としては、前記組成の金属元素を有する金属ア
ルコキシド溶液を用いたスピンコート法とし、溶液を基
板にスピンコートで塗布した後、大気中で１５０℃の乾
燥工程と４５０℃の仮焼成工程を行った。以上のプロセ
スを３回繰り返すことで膜厚２０００Åの前駆体膜を得
た。その後、強誘電体薄膜の結晶化熱処理として、酸素
を用いた雰囲気下で、８００℃の急速加熱熱処理（Rapi
d Thermal Annealing、以下ＲＴＡ）を行った。この結
晶化熱処理により、ペロブスカイト相が生成し、強誘電
体として十分な特性が得られる状態となった。

【００１９】続いて、図２（ｃ）に示すように、上部電
極４０として、スパッタ法で膜厚１７００ÅのＰｔ層を
成膜した。本実施例では、上部電極４０を成膜する際に
メタルマスクを用い、約１×１０^-4ｃｍ²の面積の薄膜
コンデンサを得た。

【００２０】このように、下部電極、強誘電体薄膜、上
部電極まで形成した後、本発明の特徴である強誘電体の
強誘電性を低下させるための処理として、図２（ｄ）に
示すように、水素による熱処理を行った。雰囲気は３vo
l％Ｈ₂／Ｈｅで、熱処理温度は４００℃、熱処理時間は
１０分間とした。比較のために、同雰囲気で２００℃×
１０分の水素熱処理も行った。

【００２１】図３は、得られた薄膜コンデンサのＰ−Ｖ
特性、すなわち印加電圧に対する分極量を表すヒステリ
シス曲線である。水素熱処理を施していない従来のＰＺ
Ｔを用いた薄膜コンデンサでは、Ｐ−Ｖカーブが大きな
ヒステリシス性を示しており、高い強誘電性を有してい
ることが分かる。その場合の残留分極値（Ｐｒ）は、１
７．６μＣ／ｃｍ²であった。一方、本発明である４０
０℃で水素熱処理を施したＰＺＴの薄膜コンデンサで
は、Ｐ−Ｖ曲線が直線的になっており、残留分極値も
１．３μＣ／ｃｍ²と小さくなっている。すなわち、強
誘電体の強誘電性がほとんど失われ、常誘電体としての
振る舞いを示している。２００℃で水素熱処理した場合
は、水素熱処理をしていない場合よりも残留分極値は低
下しているものの、完全に強誘電性が失われていなかっ
た。

【００２２】水素熱処理によってＰＺＴ薄膜の強誘電性
が失われる理由は、以下のように説明される。水素がＰ
ＺＴペロブスカイト結晶中の酸素を還元して奪うことに
よって、結晶中の本来酸素原子が位置するサイトに原子
空孔が、すなわち酸素欠損の格子欠陥が生成する。酸素
原子は結晶格子中で２価のマイナスイオンとして存在し
ているので、この酸素欠陥は２価の正電荷を有すること
になる。ＡＢＯ₃の化学式で表されるペロブスカイト酸
化物の分極は、格子中の酸素イオンからなる８面体の中
心に位置するＢ原子（正イオン）の変位に起因する。強
誘電体の場合、正方晶であることから、外部電界をゼロ
にした場合でもこのＢサイトイオンがＣ軸方向に僅かに
変位した位置で安定し、そのことによって残留分極が生
じる。正電荷を持つ酸素欠陥が存在すると、Ｂサイトイ
オンのＣ軸方向における正負の変位が正電荷によって妨
げられ、一方向で固定される。この酸素欠損によって、
強誘電性が失われていく。

【００２３】本実施例では、上部電極であるＰｔを形成
した後に、水素熱処理を施した。Ｐｔは、水素によるＰ
ＺＴ還元反応に対する触媒作用を有することが報告され
ており、水素で強誘電体の強誘電性を低下させるために
は好適な電極物質である。熱処理雰囲気中の水素
（Ｈ₂）は、このＰｔ電極の触媒効果により、より反応
性の高いラディカル水素に変化し、強誘電体結晶中の酸
素をより還元し易くする効果を有する。

【００２４】本実施例では、３％Ｈ₂／Ｈｅ、４００
℃、１０分間の水素熱処理条件における強誘電性低下に
ついて説明したが、水素熱処理条件はこれに限定される
ものではない。Ｈ₂を０．３％以上含むガス雰囲気で、
１５０℃以上の温度であれば、熱処理時間を最適化する
ことによって、本実施例を同様な効果が得られる。以上
の様な、強誘電性を低下させる中間工程を経て得られた
薄膜コンデンサの静電容量の周波数依存性を、ＬＣＲメ
ータを用いて実測した。

【００２５】図４は、本発明で得られた薄膜コンデンサ
における比誘電率ε_rの測定周波数依存性を示す図であ
る。比誘電率は、ＬＣＲメータにおける測定で得られた
静電容量から算出して求めた。水素熱処理無しで強誘電
性の強い従来のＰＺＴと、強誘電性の低下の不十分な水
素熱処理２００℃のＰＺＴの薄膜コンデンサでは、低周
波数領域では大きい比誘電率を示すが、測定周波数の増
加に対する比誘電率の低下が著しい。水素処理無しのＰ
ＺＴでは、１００Ｈｚでの比誘電率が２７９０であった
が、１ＧＨｚでは比誘電率が５０２と、１／５程度まで
低下した。また、水素熱処理２００℃の場合も、１００
Ｈｚでの比誘電率が２０５２、１ＧＨｚでの比誘電率は
約４５１と、１／４程度まで低下した。このような比誘
電率の大きな低下は、強誘電体薄膜の高い強誘電性が、
高周波領域での分極を阻害することによって生じるもの
と考えられる。

【００２６】一方、４００℃水素熱処理によって強誘電
性を残留分極値が２．０μＣ／ｃｍ ²以下になるまで低
下させた、本発明による薄膜コンデンサでは、低周波に
おける比誘電率こそ従来の半分以下まで低下して１０３
５になっているが、測定周波数を大きくしても、比誘電
率はほとんど低下することが無い。周波数を１ＧＨｚ
（１０⁹Ｈｚ）以上にまで大きくすれば、本発明による
薄膜コンデンサの比誘電率は、従来技術に比べて２倍近
く大きな８７８の値を示し、１００ｋＨｚ測定時の値の
約８５％であった。

【００２７】図５は、これら薄膜コンデンサにおける誘
電損失（ｔａｎδ）の周波数依存性を示す図である。４
００℃での水素熱処理によって強誘電性を低下させたＰ
ＺＴ薄膜コンデンサは、強誘電性の強い従来の薄膜コン
デンサに比べて誘電損失が明らかに小さい。従って、高
周波領域における大きな誘電損失に起因する種々の問
題、すなわち電力消費量の増大、発熱等が、本発明の薄
膜コンデンサによって解決できる。

【００２８】以上のように、１ＧＨｚ以上の高周波領域
における比誘電率の低下や、誘電損失の増大は、強誘電
薄膜の強誘電性を低下させ、常誘電体のように変質させ
ることで抑制できることが明らかになった。

【００２９】ここでは、強誘電体薄膜に用いるペロブス
カイト酸化物をＰＺＴとしたが、強誘電特性を示すペロ
ブスカイト型酸化物であれば、全て同様の効果が得られ
るものであり、本発明はＰＺＴに限定されるものではな
い。例えば、高誘電率を有するＰＭＮやＢａＴｉＯ₃、
Ｂａ（Ｓｒ，Ｔａ）Ｏ₃、ＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉等を用いた
場合や、これらを２種類以上組み合わせて用いた場合で
も、水素熱処理によって強誘電性を低下させることが可
能で、その結果、１ＧＨｚ以上の高周波領域でも誘電率
の低下が少なく、誘電損失の小さい薄膜コンデンサを得
ることが可能である。

【００３０】また、強誘電体薄膜の成膜法として有機金
属錯体溶液を用いたスピンコート法について説明した
が、特に成膜法は限定されるものではなく、酢酸塩を原
料としたスピンコート法、塗布法、スプレー法、ミスト
法及びスパッタリング法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、レ
ーザ蒸着法を用いても良い。さらに、上部及び下部の電
極として、１７００ÅのＰｔを用いた場合を説明した
が、電極に関してもこれらに限定されるものではなく、
例えば通常電極材料として用いられているＩｒ、Ａｌ、
Ｃｕ、Ｗ、ＰｔＴｉ、ＲｕＯ₂、ＩｒＯ₂等を用いること
ができる。

【００３１】本実施例では、中間工程である水素熱処理
工程を上部電極形成後に行った。これは、前述のよう
に、Ｐｔ上部電極の触媒効果を利用して強誘電性の低下
を促進させるためであったが、上部電極に水素の触媒効
果を持たない材料を用いることも可能である。この場
合、強誘電性の低下をより促進させるために、上部電極
形成前の強誘電薄膜形成段階で、水素熱処理工程を実施
するとより効果的である。

【００３２】〔実施例２〕次に、図６により本発明の他
の実施例を説明する。図６は、本実施例における薄膜コ
ンデンサの製造プロセスの流れ図である。下部電極１
１、強誘電体薄膜３０、上部電極２６は、図１、図２を
用いて説明したのと同様の方法で形成し、それぞれＰ
ｔ、ＰＺＴ、及びＰｔからなる薄膜コンデンサを得た。
本実施例では、上部電極形成後の中間工程を、強誘電体
に電荷を注入することで行った。

【００３３】薄膜コンデンサの上部電極まで形成した
後、５Ｖの直流電圧を５分間、上部電極と下部電極の間
に印加した。直流電圧の印加方法としては、定電圧電源
から針状の電極を引き延ばし、それを薄膜コンデンサの
上下電極にそれぞれ当てることで行った。このＰＺＴ薄
膜コンデンサのＰ−Ｖ測定結果から得られた抗電界は、
約３６ｋＶ／ｃｍであることが図３から確認できている
が、本実施例の場合、この抗電界の約７倍である２．５
×１０²ｋＶ／ｃｍの電界を印加した。

【００３４】図７は、この直流電界印加後の薄膜コンデ
ンサのＰ−Ｖ曲線である。図２に示すように水素熱処理
を行った場合と同様に、強誘電性が低下しており、その
残留分極は１．８μＣ／ｃｍ²となった。得られた薄膜
コンデンサにおける比誘電率の周波数依存性を測定した
結果、１ｋＨｚで９２５、１ＭＨｚで９１１、１ＧＨｚ
において８９８と、高周波領域においても大きな劣化を
示さなかった。また、誘電損失も、中間工程を行わない
場合に比べて、約１／６であるｔａｎδ＝０．０５を示
し、測定周波数が１ＧＨｚになっても大きな変化は認め
られなかった。

【００３５】〔実施例３〕図８により、本発明の他の実
施例を説明する。図８は、本実施例における薄膜コンデ
ンサの製造プロセスの流れ図である。下部電極１１、強
誘電体薄膜３０、上部電極２６は、図１、図２を用いて
説明したのと同様の方法で形成し、それぞれＰｔ、ＰＺ
Ｔ、及びＰｔからなる薄膜コンデンサを得た。本実施例
では、上部電極形成後の中間工程を、強誘電体に正負の
パルスを長時間印加する方法で行った。

【００３６】上部電極まで形成した薄膜コンデンサの上
下電極に、正負５Ｖのパルスを５００ｋＨｚで約５．５
時間印加し続けた。この場合、印加した５Ｖは、強誘電
体の抗電界以上の電界となるので、強誘電体の分極反転
が生じる。その回数は約１０ ¹⁰回となった。このような
方法を用いて、強誘電体の強誘電性を低下させた。

【００３７】図９は、この１０¹⁰回の分極反転後におけ
る薄膜コンデンサのＰ−Ｖ曲線である。前述の実施例の
場合と同様に、強誘電性が低下しており、その残留分極
は１．２μＣ／ｃｍ²となった。ここで得られた薄膜コ
ンデンサにおける比誘電率の周波数依存性を測定した結
果、１ｋＨｚで８８０、１ＧＨｚにおいて８５７と、高
周波領域においても大きな劣化を示さなかった。また、
誘電損失も、中間工程を行わない場合に比べて、遥かに
小さいｔａｎδ＝０．０４を示し、測定周波数が１ＧＨ
ｚになっても大きな変化は認められなかった。

【００３８】〔実施例４〕図１０により、本発明による
他の実施例を説明する。図１０は、本発明による薄膜コ
ンデンサの製造プロセスの流れ図である。強誘電体薄膜
にＰＺＴを用い、下部電極形成、強誘電体薄膜形成、上
部電極形成、水素熱処理による中間工程、までは図１、
図２を用いて説明したのと同様の方法で作製した。本実
施例では、水素熱処理による中間工程の後に、回復熱処
理工程を行った。この工程は、酸素雰囲気において、３
５０℃×６０分の熱処理として実施した。

【００３９】図１１は、回復熱処理工程前後の薄膜コン
デンサのＰ−Ｖ特性である。回復熱処理工程を行ってい
ない場合と比較すると、回復熱処理によって、ヒステリ
シス曲線全体の傾きが大きくなったことが分かる。この
傾きは、誘電率の大きさを意味している。一方で、その
残留分極値は、回復熱処理前の値１．３μＣ／ｃｍ²か
らほとんど変化無く１．５μＣ／ｃｍ²であった。水素
熱処理による中間工程により、強誘電性が大きく低下す
るとともに誘電率も低下したが、本実施例の様な適当な
回復熱処理工程によって、強誘電性を回復させることな
く誘電率を回復させることが可能となる。

【００４０】図１２は、本実施例で得られた薄膜コンデ
ンサにおける、比誘電率ε_rの測定周波数依存性を示す
図である。回復熱処理工程によって、向上した比誘電率
は、水素熱処理工程直後の場合と同様、測定周波数を増
大させても、ほとんど劣化しないことが明らかになっ
た。１００ｋＨｚでの比誘電率が１２９６であったのに
対し、１ＧＨｚでの比誘電率は１０８０であり、１００
ｋＨｚの値の約８３％であった。

【００４１】図１３は、上記薄膜コンデンサにおける、
誘電損失の測定周波数依存性を示す図である。この場合
も、比誘電率と同様、強誘電性の強い従来の薄膜コンデ
ンサに比べ、遥かに低い誘電損失を示し、発熱量の増大
等の問題が発生しないことが分かった。誘電損失は、水
素熱処理工程直後と、回復工程を施した場合でほぼ同じ
値を示しており、強誘電性が失われたこれら２つの薄膜
コンデンサでは、差が無いことも明らかになった。この
回復熱処理工程では、一旦消失させた強誘電特性を再び
発現させないことが重要である。

【００４２】図１４は、４００℃で水素熱処理を行っ
た、ＰＺＴによる薄膜コンデンサを、酸素雰囲気中で回
復熱処理した時の熱処理温度と、回復熱処理後のＰ−Ｖ
曲線における残留分極値の関係を示す図である。この図
から分かるように、回復熱処理温度を５００℃以上にす
ると、低下していた残留分極値が回復し、強誘電性が再
び大きくなってしまう。したがって、比誘電率向上のた
めの回復熱処理温度は５００℃以下にする必要がある。
一方で、回復熱処理温度が２００℃以下である場合、比
誘電率の回復効果がほとんど得られない。

【００４３】以上のように、本実施例では、水素熱処理
による中間工程で低下した比誘電率を、回復熱処理によ
って向上させることが可能となり、１ＧＨｚ以上の高周
波領域で、高誘電率を維持できる薄膜コンデンサを提供
することが可能となった。なお、本実施例では、強誘電
性を低下させる中間工程として、水素熱処理工程を行っ
た場合について説明したが、実施例２、３で示したよう
な中間工程によって強誘電性を低下させた場合でも、同
様の効果が得られる。

【００４４】〔実施例５〕図１５は、本発明によるメイ
ンフレームコンピュータの概念図である。メインフレー
ムコンピュータは、プロセッサユニット４５、電力供給
ユニット４７、冷却水供給ユニット５３、及びその他周
辺機器で構成される。プロセッサユニット４５には、複
数のマルチチップモジュールプロセッサ６６が搭載され
ている。

【００４５】図１６は、１個のマルチチップモジュール
プロセッサ６６の概念図である。１個のＬＳＩ５７を搭
載するためのマイクロチップキャリア５５上に、図１０
に示した方法で薄膜コンデンサ８０を複数個形成した。
このマイクロチップキャリア５５上にＬＳＩ５７を装着
し、一体化されたもの複数個を、配線を含む多層セラミ
ックス基板６０上にマトリックス状に配列することでマ
ルチチップモジュールプロセッサ６６を作製した。

【００４６】従来のマルチチップモジュールプロセッサ
では、マイクロチップキャリアにチップコンデンサを搭
載していた、そのため、ＬＳＩとコンデンサの距離を近
づけることに限界があり、またレイアウトの問題からコ
ンデンサ全体の大容量化が困難であった。本発明による
薄膜コンデンサ８０内蔵のマルチチップモジュールプロ
セッサ６６では、これらの問題が解決され、ＬＳＩ近傍
に大容量コンデンサを搭載することが可能になると共
に、従来の薄膜コンデンサに比べ高周波領域での容量低
下が小さい特徴がある。そのため、ＬＳＩの高速化によ
る駆動周波数増大に対しても、電源電圧変動に起因する
ＬＳＩ誤動作が防止できることから、信頼性の高い高性
能なメインフレームコンピュータシステムが提供可能で
ある。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、高い誘電率を有するペ
ロブスカイト型強誘電体薄膜の強誘電性を低下させるこ
とができるため、１ＧＨｚ以上の高周波領域でも誘電率
の低下、すなわち静電容量の低下が小さい薄膜コンデン
サが提供できる。また、強誘電性を低下させることで、
誘電損失を小さくすることができ、消費電力、発熱が小
さい薄膜コンデンサの提供が可能となる。また、本発明
によれば、前記薄膜コンデンサを用いることによって、
ＬＳＩ誤動作が少なく信頼性の高い、メインフレームコ
ンピュータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による薄膜コンデンサの一例の断面図。

【図２】本発明による薄膜コンデンサの作製プロセスの
一例を示す流れ図。

【図３】薄膜コンデンサのＰ−Ｖ曲線を示す図。

【図４】薄膜コンデンサの比誘電率の測定周波数依存性
を示す図。

【図５】薄膜コンデンサの誘電損失の測定周波数依存性
を示す図。

【図６】薄膜コンデンサの作製プロセスの他の例を示す
流れ図。

【図７】薄膜コンデンサのＰ−Ｖ曲線を示す図。

【図８】薄膜コンデンサの作製プロセスの他の例を示す
流れ図。

【図９】薄膜コンデンサのＰ−Ｖ曲線を示す図。

【図１０】薄膜コンデンサの作製プロセスの他の例を示
す流れ図。

【図１１】薄膜コンデンサのＰ−Ｖ曲線を示す図。

【図１２】薄膜コンデンサの比誘電率の測定周波数依存
性を示す図。

【図１３】薄膜コンデンサの誘電損失の測定周波数依存
性を示す図。

【図１４】薄膜コンデンサの回復熱処理温度と残留分極
の関係を示す図。

【図１５】メインフレームコンピュータの概念図。

【図１６】メインフレームコンピュータに搭載されるマ
ルチチップモジュールプロセッサの概念図。

【符号の説明】

１１ 基板 ２６ 下部電極 ３０ 強誘電体薄膜 ４０ 上部電極 ４５ プロセッサユニット ４７ 電力供給ユニット ５３ 冷却水供給ユニット ５５ マイクロチップキャリア ５７ ＬＳＩ ６０ 多層セラミック基板 ６６ マルチチップモジュールプロセッサ ８０ 薄膜コンデンサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 孝明 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 村田 康彦 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Ｆターム(参考） 4G031 AA03 AA05 AA06 AA11 AA12 AA14 AA15 AA32 AA35 BA09 CA01 CA08 5E001 AB06 AE00 AE01 AE02 AE03 AH00 AH08 AJ02 5E082 AB03 BB05 BC30 EE05 EE23 EE37 FG03 FG26 FG46 FG54 KK01 MM24 PP01 PP05 PP06 PP08

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上部電極と、誘電体薄膜と、下部電極と
   を有する薄膜コンデンサにおいて、前記上部電極と前記
   下部電極の間に印加する電圧の周波数が１ｋＨｚ以下の
   場合の低周波比誘電率が５００以上であり、前記周波数
   を１ＧＨｚにした場合の高周波比誘電率が前記低周波比
   誘電率の値の８０％以上であることを特徴とする薄膜コ
   ンデンサ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の薄膜コンデンサにおい
   て、前記誘電体薄膜は常圧において常温以上のキュリー
   温度を有するペロブスカイト型酸化物であることを特徴
   とする薄膜コンデンサ。
3. 【請求項３】 上部電極と、誘電体薄膜と、下部電極と
   を有する薄膜コンデンサにおいて、前記誘電体薄膜は常
   圧において常温以上のキュリー温度を有するペロブスカ
   イト型酸化物であり、前記誘電体薄膜の残留分極値が
   ２．０μＣ／ｃｍ²以下であることを特徴とする薄膜コ
   ンデンサ。
4. 【請求項４】 請求項１，２又は３記載の薄膜コンデン
   サにおいて、前記誘電体薄膜はＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）
   Ｏ₃、Ｐｂ（Ｍｇ_1/3，Ｎｂ_2/3）Ｏ₃、ＰｂＴｉＯ ₃、Ｂ
   ａＴｉＯ₃、Ｂａ（Ｓｒ，Ｔａ）Ｏ₃、ＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ
   ₉、ＳｒＢｉ₂Ｎｂ₂Ｏ₉のうちのいずれか１種の、あるい
   はこれらを２種以上組み合わせたペロブスカイト型酸化
   物を主構成相とすることを特徴とする薄膜コンデンサ。
5. 【請求項５】 上部電極と、誘電体薄膜と、下部電極と
   を有する薄膜コンデンサの製造方法において、下部電極
   上に、常圧において常温以上のキュリー温度を有するペ
   ロブスカイト型酸化物からなる誘電体薄膜を形成し、そ
   の後、前記誘電体薄膜の残留分極値を２．０μＣ／ｃｍ
   ²以下にするための処理を行うことを特徴とする薄膜コ
   ンデンサの製造方法。
6. 【請求項６】 請求項５記載の薄膜コンデンサの製造方
   法において、前記処理は、水素を含む雰囲気における熱
   処理、上部電極と下部電極との間に前記誘電体薄膜の抗
   電界以上の直流電界を１秒以上印加する処理、上部電極
   と下部電極との間に前記誘電体薄膜の抗電界以上の電界
   を正負交互に１０⁵回以上印加する処理のいずれかであ
   ることを特徴とする薄膜コンデンサの製造方法。
7. 【請求項７】 請求項５又は６記載の薄膜コンデンサの
   製造方法において、前記処理の後に、酸素雰囲気におい
   て２００℃以上５００℃以下の温度で熱処理を行うこと
   を特徴とする薄膜コンデンサの製造方法。
8. 【請求項８】 複数のＬＳＩと、多層セラミックス基板
   と、前記ＬＳＩと前記多層セラミックス基板とを接続す
   るために配置されたマイクロチップキャリアとを備える
   マルチチップモジュールプロセッサを搭載するコンピュ
   ータにおいて、 前記マイクロチップキャリアは請求項１〜４のいずれか
   １項記載の薄膜コンデンサを備えることを特徴とするコ
   ンピュータ。