【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえばＩＣカードに内蔵される平滑回路素子などのように、コンデンサとコンデンサ以外の回路要素とが複合化されるコンデンサ複合回路素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータや携帯電話などの電子機器では、商用電源や電池からの電力を、電子機器が必要とする電圧に変換して供給するスイッチング電源回路を内蔵している。このスイッチング電源回路は、通常、スイッチング回路、整流回路および平滑回路を有する。
【０００３】
平滑回路は、インダクタとコンデンサで構成され、従来では、それぞれ個別の素子が用いられている。インダクタ素子としては、フェライトコアに巻き線が巻回された素子や、フェライト層とコイル層とを交互に多数積層してコイル層を層間で接続するチップインダクタ素子などが知られている。また、コンデンサ素子としては、誘電体層と内部電極層とを交互に積層した積層セラミックコンデンサが知られている。
【０００４】
一方、ＬＳＩなどの高集積化などにより電子機器の小型化は急激に進展している。これらの電子機器には、スイッチング電源回路が不可欠である。したがって、スイッチング電源回路の小型化および薄型化が望まれている。スイッチング電源回路に用いられているスイッチング回路と整流回路とは、半導体素子で構成されていることから、比較的に小型化と薄型化が容易である。
【０００５】
ところが、平滑回路は、従来では、インダクタ素子とコンデンサ素子とが別々に形成してあるため、その小型化および薄型化が困難であった。
【０００６】
そこで、薄膜形成方法により、インダクタ素子とコンデンサ素子とを一体に形成しようとした平滑回路素子が提案されている（下記の特許文献１参照）。
【０００７】
しかしながら、特許文献１などに記載してあるコンデンサの誘電体層として、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＢＳＴ、Ｔａ２ Ｏ５ などの誘電体薄膜を用いていることから、温度特性に難点を有し、使用温度環境の変化に対して静電容量が大きく変化する。たとえばＢＳＴでは、１２０°Ｃでの静電容量が、２０°Ｃでの静電容量に比較して、−１０００〜−４０００ｐｐｍ／°Ｃの温度変化を示し、温度特性が悪い。平滑回路素子は、各種温度環境下で使用されることもあり、温度特性にも優れていることが必要である。
【０００８】
また、これらの従来の誘電体薄膜は、誘電体薄膜の厚みが薄くなる（たとえば１００ｎｍ以下）と、誘電率が低下する傾向にある。さらに、これらの従来の誘電体薄膜は、その表面平滑性にも難点を有し、誘電体薄膜の厚みを薄くすると、絶縁不良などが生じやすいと言う課題もある。すなわち、従来の誘電体薄膜では、薄くすると表面平滑性が悪いために、他の層を多数積層することが困難であり、コンデンサと他の回路要素とを基板上に積層して形成することが困難であった。
【０００９】
さらにまた、これらの従来の誘電体薄膜は、誘電体薄膜の厚みを薄くすると、たとえば１００ｋＶ／ｃｍの電界を加えた場合に、静電容量が大きく低下すると言う課題も有する。
【００１０】
なお、下記の非特許文献１に示すように、組成式：（Ｂｉ２ Ｏ２ ）２＋（Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋１）２−、またはＢｉ２ Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋３で表され、前記組成式中の記号ｍが１〜８の正数、記号ＡがＮａ、Ｋ、Ｐｂ、Ｂａ、Ｓｒ、ＣａおよびＢｉから選ばれる少なくとも１つの元素、記号ＢがＦｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｖ、ＭｏおよびＷから選ばれる少なくとも１つの元素である組成物が、焼結法により得られるバルクのビスマス層状化合物誘電体を構成すること自体は知られている。
【００１１】
しかしながら、この文献には、上記の組成式で表される組成物を、どのような条件（たとえば基板の面と化合物のｃ軸配向度との関係）で薄膜化（たとえば１μｍ以下）した場合に、薄くしても、比較的高誘電率かつ低損失を与えることができ、リーク特性に優れ、耐圧が向上し、誘電率の温度特性に優れ、表面平滑性にも優れる薄膜を得ることができるかについては、何ら開示されていなかった。
【００１２】
【特許文献１】特開平９−２１３８９４号公報
【非特許文献１】「ビスマス層状構造強誘電体セラミックスの粒子配向とその圧電・焦電材料への応用」竹中正、京都大学工学博士論文（１９８４）の第３章の第２３〜７７頁
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、たとえばＩＣカードの内部に配置することが可能なほどにサイズが小型であり、高温でも特性変化が少なく、大容量かつ低誘電損失で、たとえばインダクタ素子などのコンデンサ以外の回路要素とコンデンサとが複合化されるコンデンサ複合回路素子を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明者は、コンデンサに用いられる誘電体薄膜の材質とその結晶構造に関して鋭意検討した結果、特定組成のビスマス層状化合物を用い、しかも該ビスマス層状化合物のｃ軸（［００１］方位）を基板面に対して垂直に配向させて誘電体薄膜を構成することで、コンデンサ複合回路素子として用いて好適なコンデンサを提供できることを見出した。すなわち本発明者は、基板面に対してビスマス層状化合物のｃ軸配向膜（薄膜法線がｃ軸に平行）を形成することにより、薄くしても、比較的高誘電率かつ低損失（ｔａｎδが低い）であり、誘電率の温度特性に優れ、表面平滑性にも優れる誘電体薄膜を実現できることを見出した。
【００１４】
本発明に係るコンデンサ複合回路素子は、
コンデンサと、前記コンデンサ以外の回路要素とが複合化されるコンデンサ複合回路素子であって、
前記コンデンサが、誘電体薄膜を有し、
前記誘電体薄膜が、ｃ軸が基板面に対して垂直に配向しているビスマス層状化合物で構成され、
該ビスマス層状化合物が、組成式：（Ｂｉ２ Ｏ２ ）２＋（Ａｍ−１ ＢｍＯ３ｍ＋１）２−、またはＢｉ２ Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋３で表され、前記組成式中の記号ｍが正数、記号ＡがＮａ、Ｋ、Ｐｂ、Ｂａ、Ｓｒ、ＣａおよびＢｉから選ばれる少なくとも１つの元素、記号ＢがＦｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｖ、ＭｏおよびＷから選ばれる少なくとも１つの元素であることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係るコンデンサ複合回路素子は、小型化および薄型化が要求される電子機器の全てに内蔵することができる。
【００１６】
好ましくは、前記回路要素がインダクタであり、前記回路素子が、平滑回路として用いられる。
【００１７】
本発明に係るＩＣカードには、上記のコンデンサ複合回路素子が内蔵される。
【００１８】
本発明において、コンデンサ以外の回路要素と、コンデンサとは、基板上に薄膜形成法を用いて一体に形成されることが好ましい。
【００１９】
好ましくは、前記コンデンサは、基板上に形成してある下部電極と、前記下部電極の上に形成される前記誘電体薄膜と、前記誘電体薄膜の上に形成される上部電極とを有する薄膜コンデンサである。これらの下部電極、誘電体薄膜および上部電極は、基板の表面に薄膜形成法により形成される。
【００２０】
前記基板としては、特に限定されず、単結晶材料が好ましいが、アモルファス材料、またはポリイミドなどの合成樹脂などで構成されていてもよい。基板の上に形成される下部電極は、［１００］方位に形成してあることが好ましい。下部電極を［１００］方位に形成することで、その上に形成される誘電体薄膜を構成するビスマス層状化合物のｃ軸を、基板面に対して垂直に配向させることができる。
なお、本発明の複合回路素子は、基板の表面に薄膜形成方法により作成した後に、ダイサーなどで切断後、チップ化されることが好ましい。ただし、本発明の複合回路素子は、ＬＳＩ、回路基板、その他の基板（たとえば樹脂基板）、あるいはソケットなどのその他の電子機器付属部品に直接に薄膜形成方法により形成しても良い。特に、ＩＣカードの場合には、樹脂基板の表面に複合回路素子を直接に薄膜形成方法により形成することが好ましい。
【００２１】
本発明では、ビスマス層状化合物のｃ軸が基板面に対して垂直に１００％配向していること、すなわちビスマス層状化合物のｃ軸配向度が１００％であることが特に好ましいが、必ずしもｃ軸配向度が１００％でなくてもよい。好ましくは、前記ビスマス層状化合物のｃ軸配向度が８０％以上である。
【００２２】
好ましくは、前記ビスマス層状化合物を構成する組成式中のｍが、１〜７のいずれか、さらに好ましくは、１〜５のいずれかである。製造が容易だからである。
【００２３】
好ましくは、前記ビスマス層状化合物が、希土類元素（Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれる少なくとも１つの元素）を含む。
【００２４】
本発明に係るコンデンサ複合回路素子に用いる誘電体薄膜の製造方法は、特に限定されないが、たとえば、立方晶、正方晶、斜方晶、単斜晶などの［１００］方位などに配向している基板を用いて、組成式：（Ｂｉ２ Ｏ２ ）２＋（Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋１）２−、またはＢｉ２ Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋３で表され、前記組成式中の記号ｍが正数、記号ＡがＮａ、Ｋ、Ｐｂ、Ｂａ、Ｓｒ、ＣａおよびＢｉから選ばれる少なくとも１つの元素、記号ＢがＦｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｖ、ＭｏおよびＷから選ばれる少なくとも１つの元素であるビスマス層状化合物を主成分として有する誘電体薄膜を形成することにより、製造することができる。
【００２５】
上記組成のビスマス層状化合物がｃ軸配向して構成される誘電体薄膜は、その膜厚を薄くしても、比較的に高誘電率（たとえば比誘電率が１００超）かつ低損失（ｔａｎδが０．０２以下）であり、リーク特性に優れ（たとえば電界強度５０ｋＶ／ｃｍで測定したリーク電流が１×１０−７Ａ／ｃｍ２ 以下、ショート率が１０％以下）、耐圧が向上し（たとえば１０００ｋＶ／ｃｍ以上）、誘電率の温度特性に優れ（たとえば温度に対する誘電率の平均変化率が、基準温度２５℃で、±２００ｐｐｍ／℃以内）、表面平滑性にも優れる（たとえば表面粗さＲａが２ｎｍ以下）。
【００２６】
また、本発明に係るコンデンサ複合回路素子における誘電体薄膜は、薄くしても比較的高誘電率を保つことができ、しかも表面平滑性が良好なので、単層でも大容量化が可能であると共に、多層に積層し、さらに大容量化を図ることも可能である。
【００２７】
さらに、本発明のコンデンサ複合回路素子におけるコンデンサは、周波数特性に優れ（たとえば特定温度下における高周波領域１ＭＨｚでの誘電率の値と、それよりも低周波領域の１ｋＨｚでの誘電率の値との比が、絶対値で０．９〜１．１）、電圧特性にも優れる（たとえば特定周波数下における測定電圧０．１Ｖでの誘電率の値と、測定電圧５Ｖでの誘電率の値との比が、絶対値で０．９〜１．１）。
【００２８】
さらにまた、本発明に係るコンデンサ複合回路素子におけるコンデンサは、静電容量の温度特性に優れる（温度に対する静電容量の平均変化率が、基準温度２５℃で、±２００ｐｐｍ／℃以内）。
【００２９】
なお、本発明でいう「薄膜」とは、各種薄膜形成法により形成される厚さ０．２ｎｍから数μｍ程度の材料の膜をいい、焼結法により形成される厚さ数百μｍ程度以上の厚膜のバルク（塊）を除く趣旨である。薄膜には、所定の領域を連続的に覆う連続膜の他、任意の間隔で断続的に覆う断続膜も含まれる。薄膜は、基板面の一部に形成してあってもよく、あるいは全部に形成してあってもよい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
図１は本発明の一実施形態に係るコンデンサ複合回路素子の回路図、
図２は本発明の一実施形態に係るコンデンサ複合回路素子の概略断面図、
図３は本発明の一実施形態に係るコンデンサ複合回路素子におけるコンデンサ単体の試験を行うためのサンプルの断面図、
図４は本発明の実施例に係るコンデンササンプルの周波数特性を表すグラフ、図５は本発明の実施例に係るコンデンササンプルの電圧特性を表すグラフである。
【００３１】
第１実施形態
図１および図２に示すように、本実施形態に係るコンデンサ複合回路素子２０は、平滑回路を構成し、並列接続されたコンデンサ２とインダクタ３０とを有し、これらコンデンサ２とインダクタ３０とは、基板４の上に、薄膜形成方法により積層して一体に形成してある。
【００３２】
図２に示すように、コンデンサ複合回路素子２０におけるコンデンサ２は、基板４を有し、この基板４の上には下部電極薄膜６が形成されている。下部電極薄膜６の上には誘電体薄膜８が形成されている。誘電体薄膜８の上には上部電極薄膜１０が形成されている。
このコンデンサ２の上に積層してインダクタ３０を形成するために、誘電体薄膜８の端部と上部電極１０の表面は、第１層間絶縁層１２で覆われ、その上に、磁性層１４が積層してある。磁性層１４の内部には、インダクタ３０を構成するためのコイル層１８が第２層間絶縁層１６と共に配置してある。
第１層間絶縁層１２および第２層間絶縁層１６は、たとえば酸化シリコンや窒化シリコンなどで構成され、磁性層１４はフェライト材料などで構成され、コイル層１８は、下部電極薄膜８や上部電極薄膜１０と同様な導電層で構成され、フォトリソグラフィ法などで所定のコイルパターンに成形されている。これらの絶縁層１２および１６、磁性層１４、コイル層１８は、コンデンサ２を形成するための薄膜形成法と同様なＣＶＤやスパッタリングなどの薄膜形成法により形成され、フォトリソグラフィ法により、所定パターンに加工される。
【００３３】
コイル層１８は、図１に示すインダクタ３０を構成するようにコイルパターンに成形されており、その両端部は、コンデンサ２と並列接続するように、コンデンサ２の上部電極薄膜１０および下部電極薄膜６に対して接続する必要がある。本実施形態では、コイル層１８の両端部は、図示省略してあるコンタクトホールまたは外部端子を介して、上部電極薄膜１０および下部電極薄膜６に対して接続してある。
【００３４】
基板４としては、格子整合性の良い単結晶（たとえば、ＳｒＴｉＯ３ 単結晶、ＭｇＯ単結晶、ＬａＡｌＯ３ 単結晶など）、アモルファス材料（たとえば、ガラス、溶融石英、ＳｉＯ２ ／Ｓｉなど）、合成樹脂（たとえばポリイミド樹脂）、その他の材料（たとえば、ＺｒＯ２ ／Ｓｉ、ＣｅＯ２ ／Ｓｉなど）などで構成される。特に、立方晶、正方晶、斜方晶、単斜晶などの［１００］方位などに配向している基板で構成していることが好ましい。基板４の厚みは、特に限定されず、たとえば１０〜１０００μｍ程度である。
【００３５】
基板４に格子整合性の良い単結晶を用いる場合の下部電極薄膜６としては、たとえば、ＣａＲｕＯ３ やＳｒＲｕＯ３ などの導電性酸化物、あるいはＰｔやＲｕなどの貴金属で構成してあることが好ましく、より好ましくは［１００］方位に配向した導電性酸化物あるいは貴金属で構成される。基板４として［１００］方位に配向しているものを用いると、その表面に［１００］方位に配向した導電性酸化物あるいは貴金属を形成することができる。下部電極薄膜６を［１００］方位に配向した導電性酸化物あるいは貴金属で構成することで、下部電極薄膜６上に形成される誘電体薄膜８の［００１］方位への配向性、すなわちｃ軸配向性が高まる。このような下部電極薄膜６は、通常の薄膜形成法で作製されるが、たとえばスパッタリング法やパルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ）等の物理的蒸着法において、下部電極薄膜６が形成される基板４の温度を、好ましくは３００℃以上、より好ましくは５００℃以上として形成することが好ましい。
【００３６】
基板４にアモルファス材料を用いる場合の下部電極薄膜６としては、たとえばＩＴＯなどの導電性ガラスで構成することもできる。基板４に格子整合性の良い単結晶を用いた場合、その表面に［１００］方位に配向した下部電極薄膜６を形成することが容易であり、これにより、該下部電極薄膜６上に形成される誘電体薄膜８のｃ軸配向性が高まりやすい。しかしながら、基板４にガラスなどのアモルファス材料を用いても、ｃ軸配向性が高められた誘電体薄膜８を形成することは可能である。この場合、誘電体薄膜８の成膜条件を最適化する必要がある。
【００３７】
その他の下部電極薄膜６としては、たとえば、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）などの貴金属またはそれらの合金の他、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）などの卑金属またはそれらの合金を用いることができる。
【００３８】
下部電極薄膜６の厚みは、特に限定されないが、好ましくは１０〜１０００ｎｍ、より好ましくは５０〜１００ｎｍ程度である。
【００３９】
上部電極薄膜１０としては、前記下部電極薄膜６と同様の材質で構成することができる。また、その厚みも同様とすればよい。
【００４０】
誘電体薄膜８は、本発明の薄膜容量素子用組成物の一例であり、組成式：（Ｂｉ２ Ｏ２ ）２＋（Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋１）２−、またはＢｉ２ Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋３で表されるビスマス層状化合物を含有する。一般に、ビスマス層状化合物は、（ｍ−１）個のＡＢＯ３ で構成されるペロブスカイト格子が連なった層状ペロブスカイト層の上下を、一対のＢｉおよびＯの層でサンドイッチした層状構造を示す。本実施形態では、このようなビスマス層状化合物の［００１］方位への配向性、すなわちｃ軸配向性が高められている。すなわち、ビスマス層状化合物のｃ軸が、基板４に対して垂直に配向するように誘電体薄膜８が形成されている。
【００４１】
本発明では、ビスマス層状化合物のｃ軸配向度が１００％であることが特に好ましいが、必ずしもｃ軸配向度が１００％でなくてもよく、ビスマス層状化合物の、好ましくは８０％以上、より好ましくは９０％以上、さらに好ましくは９５％以上がｃ軸配向していればよい。たとえば、ガラスなどのアモルファス材料で構成される基板４を用いてビスマス層状化合物をｃ軸配向させる場合には、該ビスマス層状化合物のｃ軸配向度が、好ましくは８０％以上であればよい。また、後述する各種薄膜形成法を用いてビスマス層状化合物をｃ軸配向させる場合には、該ビスマス層状化合物のｃ軸配向度が、好ましくは９０％以上、より好ましくは９５％以上であればよい。
【００４２】
ここでいうビスマス層状化合物のｃ軸配向度（Ｆ）とは、完全にランダムな配向をしている多結晶体のｃ軸のＸ線回折強度をＰ０とし、実際のｃ軸のＸ線回折強度をＰとした場合、Ｆ（％）＝（Ｐ−Ｐ０）／（１−Ｐ０）×１００ …（式１）により求められる。式１でいうＰは、（００ｌ）面からの反射強度Ｉ（００ｌ）の合計ΣＩ（００ｌ）と、各結晶面（ｈｋｌ）からの反射強度Ｉ（ｈｋｌ）の合計ΣＩ（ｈｋｌ）との比（｛ΣＩ（００ｌ）／ΣＩ（ｈｋｌ）｝）であり、Ｐ０についても同様である。但し、式１ではｃ軸方向に１００％配向している場合のＸ線回折強度Ｐを１としている。また、式１より、完全にランダムな配向をしている場合（Ｐ＝Ｐ０）には、Ｆ＝０％であり、完全にｃ軸方向に配向をしている場合（Ｐ＝１）には、Ｆ＝１００％である。
【００４３】
なお、ビスマス層状化合物のｃ軸とは、一対の（Ｂｉ２ Ｏ２ ）２＋層同士を結ぶ方向、すなわち［００１］方位を意味する。このようにビスマス層状化合物をｃ軸配向させることで、誘電体薄膜８の誘電特性が最大限に発揮される。すなわち、誘電体薄膜８の膜厚をたとえば１００ｎｍ以下と薄くしても、比較的高誘電率かつ低損失（ｔａｎδが低い）を与えることができ、リーク特性に優れ、耐圧が向上し、誘電率の温度特性に優れ、表面平滑性にも優れる。ｔａｎδが減少すれば、損失Ｑ（１／ｔａｎδ）値は上昇する。
【００４４】
上記式中、記号ｍは正数であれば特に限定されない。
【００４５】
なお、記号ｍが偶数であると、ｃ面と平行に鏡映面を持つため、該鏡映面を境として自発分極のｃ軸方向成分は互いにうち消し合って、ｃ軸方向に分極軸を有さないこととなる。このため、常誘電性が保持されて、誘電率の温度特性が向上するとともに、低損失（ｔａｎδが低い）が実現される。
【００４６】
上記式中、記号Ａは、Ｎａ、Ｋ、Ｐｂ、Ｂａ、Ｓｒ、ＣａおよびＢｉから選ばれる少なくとも１つの元素で構成される。なお、記号Ａを２つ以上の元素で構成する場合において、それらの比率は任意である。
【００４７】
上記式中、記号Ｂは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｖ、ＭｏおよびＷから選ばれる少なくとも１つの元素で構成される。なお、記号Ｂを２つ以上の元素で構成する場合において、それらの比率は任意である。
本発明において、特に好ましくは、ビスマス層状化合物が、化学式：ＣａｘＳｒ（１−ｘ）Ｂｉ４Ｔｉ４Ｏ１５で表され、前記化学式中のｘが０≦ｘ≦１である。この組成の場合に、特に温度特性が向上する。
【００４８】
誘電体薄膜８には、前記ビスマス層状化合物に対し、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれる少なくとも１つの元素Ｒｅ（Ｙを含む希土類元素）をさらに有していることが好ましい。希土類元素による置換量は、ｍの値により異なるが、たとえばｍ＝３の場合、組成式：Ｂｉ２ Ａ２−ｘ Ｒｅｘ Ｂ３ Ｏ１２において、好ましくは０．４≦ｘ≦１．８、より好ましくは１．０≦ｘ≦１．４である。希土類元素をこの範囲で置換することで、誘電体薄膜８のキュリー温度（強誘電体から常誘電体への相転移温度）を好ましくは−１００℃以上１００℃以下、より好ましくは−５０℃以上５０℃以下に収めることが可能となる。キュリー点が−１００℃〜＋１００℃であると、誘電体薄膜８の誘電率が上昇する。キュリー温度は、ＤＳＣ（示差走査熱量測定）などによっても測定することができる。なお、キュリー点が室温（２５℃）未満になると、ｔａｎδがさらに減少し、その結果、損失Ｑ値がさらに上昇する。
【００４９】
また、たとえばｍが偶数であるｍ＝４の場合、組成式：Ｂｉ２ Ａ３−ｘ Ｒｅｘ Ｂ４ Ｏ１５において、好ましくは０．０１≦ｘ≦２．０、より好ましくは０．１≦ｘ≦１．０である。
【００５０】
なお、誘電体薄膜８は、希土類元素Ｒｅを有していなくとも、後述するようにリーク特性に優れるものではあるが、Ｒｅ置換によりリーク特性を一層優れたものとすることができる。
【００５１】
たとえば、希土類元素Ｒｅを有していない誘電体薄膜８では、電界強度５０ｋＶ／ｃｍで測定したときのリーク電流を、好ましくは１×１０−７Ａ／ｃｍ２ 以下、より好ましくは５×１０−８Ａ／ｃｍ２ 以下とすることができ、しかもショート率を、好ましくは１０％以下、より好ましくは５％以下とすることができる。
【００５２】
これに対し、希土類元素Ｒｅを有している誘電体薄膜８では、同条件で測定したときのリーク電流を、好ましくは５×１０−８Ａ／ｃｍ２ 以下、より好ましくは１×１０−８Ａ／ｃｍ２ 以下とすることができ、しかもショート率を、好ましくは５％以下、より好ましくは３％以下とすることができる。
【００５３】
誘電体薄膜８は、真空蒸着法、高周波スパッタリング法、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ）、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、液相法（ＣＳＤ法）などの各種薄膜形成法を用いて形成することができる。誘電体薄膜８を、特に低温で成膜する必要がある場合には、プラズマＣＶＤ、光ＣＶＤ、レーザーＣＶＤ、光ＣＳＤ、レーザーＣＳＤ法が好ましい。
【００５４】
本実施形態では、特定方位（［１００］方位等）に配向している基板等を用いて誘電体薄膜８を形成する。製造コストを低下させる観点からは、アモルファス材料で構成された基板４を用いることがより好ましい。このようにして形成された誘電体薄膜８を用いれば、特定組成のビスマス層状化合物がｃ軸配向して構成される。このような誘電体薄膜８およびこれを用いた薄膜コンデンサ２では、誘電体薄膜の膜厚をたとえば２００ｎｍ以下と薄くしても、比較的高誘電率かつ低損失を与えることができ、リーク特性に優れ、耐圧が向上し、誘電率の温度特性に優れ、表面平滑性にも優れる。
【００５５】
誘電体薄膜８を薄くすることができるので、コンデンサ２の高容量化と、小型化とを同時に実現することができる。しかも、本実施形態では、コンデンサ２における誘電体薄膜８の表面平滑性に優れていることから、コンデンサ２の上に、インダクタ３０を、薄膜形成方法により容易に積層して形成することができる。
【００５６】
また、コンデンサ２およびインダクタ３０を含むコンデンサ複合回路素子２０におけるパッケージングを含む厚みを、０．０５〜０．５ｍｍ程度に薄くすることが可能である。したがって、本実施形態に係るコンデンサ複合回路素子２０は、きわめて薄いＩＣカードなどの薄型電子機器の内部にも容易に埋め込むことが可能である。
【００５７】
また、誘電体薄膜８は、温度特性に優れるため、使用温度環境が変化してもコンデンサの静電容量は変化しないため、素子の機能は維持される。
【００５８】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。
たとえば、コンデンサ２は、インダクタ３０以外の回路要素と組み合わされてコンデンサ複合回路素子を構成しても良い。コンデンサ２と組み合わせることができる回路要素としては、特に限定されないが、抵抗などの受動素子の他、半導体素子などの能動素子などが例示できる。平滑回路素子以外の用途で、コンデンサとインダクタとを組み合わせた回路素子としては、モノシリック−マイクロ波ＩＣ（ＭＭＩＣ）用複合デバイスが例示される。また、能動素子または受動素子とコンデンサとを組み合わせた具体的な用途としては、ＨＭＩＣあるいはハイブリッド回路基板などが例示される。
【００５９】
また、本発明では、誘電体薄膜８は、基板４の表面に電極膜６，１０を介して多層に積層しても良い。本発明に係るコンデンサの誘電体薄膜は、表面平滑性に優れているので、薄くしても絶縁性および耐圧性に優れ、従来よりも多数の積層が可能である。
【００６０】
【実施例】
以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。なお、以下の実施例においては、本発明に係るコンデンサ複合回路素子におけるコンデンサ単独の特性を確認するための実施例を例示する。本発明に係る新規なコンデンサ単独の特性が確認できれば、その上に、インダクタなどの他の回路要素を積層することは、従来から知られている半導体製造プロセスなどに用いられる薄膜形成技術およびフォトリソグラフィ法により容易に実現することができる。
【００６１】
実施例１
下部電極薄膜となるＳｒＲｕＯ３ を［１００］方位にエピタキシャル成長させたＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板（（１００）ＳｒＲｕＯ３ ／／（１００）ＳｒＴｉＯ３ ）を７００℃に加熱した。次に、ＳｒＲｕＯ３ 下部電極薄膜の表面に、Ｃａ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ２）２（Ｃ８Ｈ２３Ｎ５）２、Ｓｒ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ２）２（Ｃ８Ｈ２３Ｎ５）２、Ｂｉ（ＣＨ３）３及びＴｉ（Ｏ−ｉ−Ｃ３Ｈ７）４を原料に用い、ＭＯＣＶＤ法にて、膜厚約１００ｎｍのＣａｘＳｒ（１−ｘ）Ｂｉ４Ｔｉ４Ｏ１５薄膜（誘電体薄膜）を、ｘ＝０，１と変化させて複数形成した。ｘの値の制御は、Ｃａ原料およびＳｒ原料のキャリアガス流量を調整することにより行った。
なお、上記化学式において、ｘ＝０の時には、ＳｒＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５薄膜（ＳＢＴｉ薄膜／組成式：Ｂｉ２ Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋３において、記号ｍ＝４、記号Ａ３ ＝Ｓｒ＋Ｂｉ２および記号Ｂ４ ＝Ｔｉ４ として表される）となる。また、ｘ＝１の時には、ＣａＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５薄膜（ＣＢＴｉ薄膜／組成式：Ｂｉ２ Ａｍ−１ Ｂｍ Ｏ３ｍ＋３において、記号ｍ＝４、記号Ａ３＝Ｃａ＋Ｂｉ２および記号Ｂ４ ＝Ｔｉ４ として表される）となる。
【００６２】
これらの誘電体薄膜の結晶構造をＸ線回折（ＸＲＤ）測定したところ、［００１］方位に配向していること、すなわちＳｒＴｉＯ３ 単結晶基板表面に対して垂直にｃ軸配向していることが確認できた。また、これらの誘電体薄膜の表面粗さ（Ｒａ）を、ＪＩＳ−Ｂ０６０１に準じて、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡、セイコーインスツルメンツ社製、ＳＰＩ３８００）で測定した。
【００６３】
次に、これらの誘電体薄膜の表面に、０．１ｍｍφのＰｔ上部電極薄膜をスパッタリング法により形成し、図３に示す薄膜コンデンサ２のサンプルを作製した。
【００６４】
得られたコンデンササンプルの電気特性（誘電率、ｔａｎδ、損失Ｑ値、リーク電流、耐圧）および誘電率の温度特性を評価した。
誘電率（単位なし）は、コンデンササンプルに対し、デジタルＬＣＲメータ（ＹＨＰ社製４２７４Ａ）を用いて、室温（２５℃）、測定周波数１００ｋＨｚ（ＡＣ２０ｍＶ）の条件で測定された静電容量と、コンデンササンプルの電極寸法および電極間距離とから算出した。
ｔａｎδは、上記静電容量を測定した条件と同一条件で測定し、これに伴って損失Ｑ値を算出した。
【００６５】
リーク電流特性（単位はＡ／ｃｍ２ ）は、電界強度５０ｋＶ／ｃｍで測定した。
【００６６】
誘電率の温度特性は、コンデンササンプルに対し、上記条件で誘電率を測定し、基準温度を２５℃としたとき、−５５〜＋１５０℃の温度範囲内での温度に対する誘電率の平均変化率（Δε）を測定し、温度係数（ｐｐｍ／℃）を算出した。耐圧（単位はｋＶ／ｃｍ）は、リーク特性測定において、電圧を上昇させることにより測定した。
これらの結果を表１に示す。
【００６７】
【表１】
【００６８】
評価
表１に示すように、実施例１で得られたビスマス層状化合物のｃ軸配向膜は、耐圧が１０００ｋＶ／ｃｍ以上に高く、リーク電流が１×１０−７以下程度に低く、誘電率が２００以上で、ｔａｎδが０．０２以下であり、損失Ｑ値も５０以上であることが確認できた。これにより、より一層の薄膜化が期待でき、ひいては薄膜コンデンサとしての高容量化も期待できる。
【００６９】
また、実施例１では、温度係数が±１５０ｐｐｍ／℃以下と非常に小さいのに、誘電率が２００以上と比較的大きく、温度補償用コンデンサ材料として優れた基本特性を有していることも確認できた。さらに、実施例１では、表面平滑性に優れることから、積層構造作製に好適な薄膜材料であることも確認できた。すなわち、実施例１により、ビスマス層状化合物のｃ軸配向膜の有効性が確認できた。
【００７０】
実施例２
本実施例では、実施例１で作製された薄膜コンデンサのサンプルを用いて、周波数特性および電圧特性を評価した。
【００７１】
周波数特性は、以下のようにして評価した。コンデンササンプルについて、室温（２５℃）にて周波数を１ｋＨｚから１ＭＨｚまで変化させ、静電容量を測定し、誘電率を計算した結果を図４に示した。静電容量の測定にはＬＣＲメータを用いた。図４に示すように、特定温度下での周波数を１ＭＨｚまで変化させても、誘電率の値が変化しないことが確認できた。すなわち周波数特性に優れていることが確認された。
【００７２】
電圧特性は、以下のようにして評価した。コンデンササンプルについて、特定の周波数（１００ｋＨｚ）下での測定電圧（印加電圧）を０．１Ｖ（電界強度５ｋＶ／ｃｍ）から５Ｖ（電界強度２５０ｋＶ／ｃｍ）まで変化させ、特定電圧下での静電容量を測定（測定温度は２５℃）し、誘電率を計算した結果を図５に示した。静電容量の測定にはＬＣＲメータを用いた。図５に示すように、特定周波数下での測定電圧を５Ｖまで変化させても、誘電率の値が変化しないことが確認できた。すなわち電圧特性に優れていることが確認された。
【００７３】
以上、本発明の実施形態および実施例について説明してきたが、本発明はこうした実施形態および実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、たとえばＩＣカードの内部に配置することが可能なほどにサイズが小型であり、高温でも特性変化が少なく、大容量かつ低誘電損失で、たとえばインダクタ素子などのコンデンサ以外の回路要素とコンデンサとが複合化されるコンデンサ複合回路素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の一実施形態に係るコンデンサ複合回路素子の回路図である。
【図２】図２は本発明の一実施形態に係るコンデンサ複合回路素子の概略断面図である。
【図３】図３は本発明の一実施形態に係るコンデンサ複合回路素子におけるコンデンサ単体の試験を行うためのサンプルの断面図である。
【図４】図４は本発明の実施例に係るコンデンササンプルの周波数特性を表すグラフである。
【図５】図５は本発明の実施例に係るコンデンササンプルの電圧特性を表すグラフである。
【符号の説明】
２… コンデンサ
４… 基板
６… 下部電極薄膜
８… 誘電体薄膜
１０… 上部電極薄膜
１８… コイル層
２０… コンデンサ複合回路素子
３０… インダクタ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a capacitor composite circuit element in which a capacitor is combined with a circuit element other than a capacitor, such as a smoothing circuit element incorporated in an IC card.
[0002]
[Prior art]
Electronic devices such as computers and mobile phones have a built-in switching power supply circuit that converts electric power from a commercial power supply or a battery into a voltage required by the electronic device and supplies the converted voltage. This switching power supply circuit usually has a switching circuit, a rectifier circuit, and a smoothing circuit.
[0003]
The smoothing circuit includes an inductor and a capacitor, and conventionally, individual elements are used. Known inductor elements include an element in which a winding is wound around a ferrite core, a chip inductor element in which a number of ferrite layers and coil layers are alternately stacked, and the coil layers are connected between layers. As a capacitor element, a multilayer ceramic capacitor in which dielectric layers and internal electrode layers are alternately stacked is known.
[0004]
On the other hand, miniaturization of electronic devices is rapidly progressing due to high integration of LSIs and the like. A switching power supply circuit is indispensable for these electronic devices. Therefore, there is a demand for a smaller and thinner switching power supply circuit. Since the switching circuit and the rectifier circuit used in the switching power supply circuit are composed of semiconductor elements, they can be relatively easily reduced in size and thickness.
[0005]
However, conventionally, it has been difficult to reduce the size and thickness of the smoothing circuit because the inductor element and the capacitor element are separately formed.
[0006]
Therefore, a smoothing circuit element has been proposed in which an inductor element and a capacitor element are integrally formed by a thin film forming method (see Patent Document 1 below).
[0007]
However, since a dielectric thin film such as PZT, PLZT, BST, or Ta 2 O 5 is used as a dielectric layer of the capacitor described in Patent Literature 1 or the like, it has difficulty in temperature characteristics, The capacitance changes greatly with changes in the environment. For example, in BST, the capacitance at 120 ° C. shows a temperature change of −1000 to −4000 ppm / ° C. as compared with the capacitance at 20 ° C., and the temperature characteristics are poor. The smoothing circuit element may be used in various temperature environments and needs to have excellent temperature characteristics.
[0008]
Further, in these conventional dielectric thin films, when the thickness of the dielectric thin film is reduced (for example, 100 nm or less), the dielectric constant tends to decrease. Furthermore, these conventional dielectric thin films also have a problem in their surface smoothness, and there is also a problem that if the thickness of the dielectric thin film is reduced, insulation failure or the like is likely to occur. That is, in the conventional dielectric thin film, it is difficult to laminate a large number of other layers because the surface smoothness is poor when the dielectric thin film is thin, and it is difficult to laminate the capacitor and other circuit elements on the substrate. It was difficult.
[0009]
Furthermore, these conventional dielectric thin films have a problem that when the thickness of the dielectric thin film is reduced, for example, when an electric field of 100 kV / cm is applied, the capacitance is greatly reduced.
[0010]
Note that, as shown in Non-Patent Document 1 described below, the composition formula: (Bi 2 O 2) 2+ (A m-1 B m O 3m + 1) 2-, or represented by Bi 2 A m-1 B m O 3m + 3 The symbol m in the composition formula is a positive number of 1 to 8, the symbol A is at least one element selected from Na, K, Pb, Ba, Sr, Ca and Bi, and the symbol B is Fe, Co, Cr, Ga. , Ti, Nb, Ta, Sb, V, Mo and W are known to constitute a bulk bismuth layered compound dielectric obtained by a sintering method. .
[0011]
However, this document discloses that when the composition represented by the above composition formula is thinned (for example, 1 μm or less) under any conditions (for example, the relationship between the substrate surface and the degree of c-axis orientation of the compound). Even if it is thin, a relatively high dielectric constant and low loss can be given, and a thin film having excellent leak characteristics, improved withstand voltage, excellent temperature characteristics of dielectric constant, and excellent surface smoothness can be obtained. Nothing was disclosed.
[0012]
[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-21894 [Non-Patent Document 1] "Particle Orientation of Bismuth Layered Structure Ferroelectric Ceramics and Its Application to Piezoelectric and Pyroelectric Materials" Tadashi Takenaka, Ph.D. ) Chapter 3, pages 23-77 [Problems to be Solved by the Invention]
The present invention has been made in view of such circumstances, and has a small size, for example, such that it can be arranged inside an IC card, a small change in characteristics even at a high temperature, a large capacity and a low dielectric loss. An object of the present invention is to provide a capacitor composite circuit element in which a capacitor and a circuit element other than a capacitor such as an element are compounded.
[0013]
Means and action for solving the problem
The present inventors have conducted intensive studies on the material of the dielectric thin film used for the capacitor and the crystal structure thereof. As a result, a bismuth layered compound having a specific composition was used, and the c-axis ([001] direction) of the bismuth layered compound was set to the substrate surface It has been found that a suitable capacitor for use as a capacitor composite circuit element can be provided by forming a dielectric thin film by vertically orienting the dielectric thin film. In other words, the present inventor formed a c-axis oriented film of a bismuth layered compound (the thin film normal is parallel to the c-axis) on the substrate surface, so that even if the film was thin, it had a relatively high dielectric constant and low loss (tan δ). Was low), and it was found that a dielectric thin film having excellent temperature characteristics of dielectric constant and excellent surface smoothness could be realized.
[0014]
The capacitor composite circuit element according to the present invention,
A capacitor and a capacitor composite circuit element in which a circuit element other than the capacitor is composited,
The capacitor has a dielectric thin film,
The dielectric thin film is composed of a bismuth layered compound in which the c-axis is oriented perpendicular to the substrate surface,
The bismuth layer compound is represented by the composition formula: (Bi 2 O 2) 2+ (A m-1 B m O 3m + 1) 2-, or represented by Bi 2 A m-1 B m O 3m + 3, symbols in the composition formula m is a positive number, symbol A is at least one element selected from Na, K, Pb, Ba, Sr, Ca and Bi, symbol B is Fe, Co, Cr, Ga, Ti, Nb, Ta, Sb, V, It is characterized by being at least one element selected from Mo and W.
[0015]
The capacitor composite circuit element according to the present invention can be incorporated in all electronic devices that are required to be reduced in size and thickness.
[0016]
Preferably, the circuit element is an inductor, and the circuit element is used as a smoothing circuit.
[0017]
The IC card according to the present invention includes the above-described capacitor composite circuit element.
[0018]
In the present invention, it is preferable that the circuit element other than the capacitor and the capacitor are integrally formed on the substrate by using a thin film forming method.
[0019]
Preferably, the capacitor is a thin film capacitor having a lower electrode formed on a substrate, the dielectric thin film formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the dielectric thin film. It is. These lower electrode, dielectric thin film and upper electrode are formed on the surface of the substrate by a thin film forming method.
[0020]
The substrate is not particularly limited and is preferably a single crystal material, but may be made of an amorphous material or a synthetic resin such as polyimide. The lower electrode formed on the substrate is preferably formed in the [100] direction. By forming the lower electrode in the [100] direction, the c-axis of the bismuth layered compound constituting the dielectric thin film formed thereon can be oriented perpendicular to the substrate surface.
It is preferable that the composite circuit element of the present invention is formed into a chip after being formed on the surface of the substrate by a thin film forming method, cut with a dicer or the like. However, the composite circuit element of the present invention may be formed by a thin film forming method directly on an LSI, a circuit board, another board (for example, a resin board), or another electronic device accessory such as a socket. In particular, in the case of an IC card, it is preferable to form a composite circuit element directly on the surface of a resin substrate by a thin film forming method.
[0021]
In the present invention, it is particularly preferred that the c-axis of the bismuth layered compound is oriented 100% perpendicular to the substrate surface, that is, the degree of c-axis orientation of the bismuth layered compound is 100%. The degree need not be 100%. Preferably, the bismuth layered compound has a degree of c-axis orientation of 80% or more.
[0022]
Preferably, m in the composition formula constituting the bismuth layered compound is any one of 1 to 7, more preferably any one of 1 to 5. This is because manufacturing is easy.
[0023]
Preferably, the bismuth layered compound is at least one selected from rare earth elements (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu). Element).
[0024]
The method for producing the dielectric thin film used in the capacitor composite circuit element according to the present invention is not particularly limited. For example, the dielectric thin film is oriented in the [100] direction such as cubic, tetragonal, orthorhombic, or monoclinic. using a substrate, the composition formula: (Bi 2 O 2) 2+ (a m-1 B m O 3m + 1) 2-, or Bi 2 a m-1 is expressed in B m O 3m + 3, the symbol m in the composition formula Is a positive number, symbol A is at least one element selected from Na, K, Pb, Ba, Sr, Ca and Bi, symbol B is Fe, Co, Cr, Ga, Ti, Nb, Ta, Sb, V, Mo And W by forming a dielectric thin film having a bismuth layered compound as at least one element selected from W and W as a main component.
[0025]
The dielectric thin film composed of the bismuth layered compound having the above composition and having a c-axis orientation has a relatively high dielectric constant (for example, a relative dielectric constant of more than 100) and a low loss (tan δ) even when the film thickness is reduced. 0.02 or less), and excellent in leak characteristics (for example, a leak current measured at an electric field strength of 50 kV / cm is 1 × 10 −7 A / cm 2 or less, a short-circuit rate is 10% or less), and a withstand voltage is improved (for example, 1000 kV / cm or more), excellent temperature characteristics of dielectric constant (for example, an average change rate of dielectric constant with respect to temperature is within ± 200 ppm / ° C. at a reference temperature of 25 ° C.), and excellent surface smoothness (for example, surface roughness Ra). Is 2 nm or less).
[0026]
In addition, the dielectric thin film in the capacitor composite circuit element according to the present invention can maintain a relatively high dielectric constant even when it is thin, and has good surface smoothness, so that it is possible to increase the capacity even with a single layer. It is also possible to stack multiple layers to further increase the capacity.
[0027]
Further, the capacitor in the capacitor composite circuit element of the present invention has excellent frequency characteristics (for example, the difference between the value of the dielectric constant at a specific temperature in a high frequency region of 1 MHz and the value of the dielectric constant in a lower frequency region of 1 kHz). The ratio is 0.9 to 1.1 in absolute value, and the voltage characteristics are excellent (for example, the difference between the value of the dielectric constant at a specific voltage of 0.1 V and the value of the dielectric constant at a specific voltage of 5 V). The ratio is 0.9-1.1 in absolute value).
[0028]
Furthermore, the capacitor in the capacitor compound circuit element according to the present invention has excellent temperature characteristics of capacitance (the average change rate of capacitance with respect to temperature is within ± 200 ppm / ° C. at a reference temperature of 25 ° C.).
[0029]
In the present invention, “thin film” refers to a film of a material having a thickness of about 0.2 nm to several μm formed by various thin film forming methods, and a thickness of several hundred μm or more formed by a sintering method This excludes the bulk of the thick film. The thin film includes not only a continuous film that continuously covers a predetermined region, but also an intermittent film that intermittently covers an arbitrary area. The thin film may be formed on a part of the substrate surface, or may be formed entirely.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments shown in the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram of a capacitor composite circuit device according to one embodiment of the present invention,
FIG. 2 is a schematic sectional view of a capacitor composite circuit element according to one embodiment of the present invention,
FIG. 3 is a cross-sectional view of a sample for performing a test of a single capacitor in the capacitor composite circuit element according to one embodiment of the present invention,
FIG. 4 is a graph showing the frequency characteristics of the capacitor sample according to the embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a graph showing the voltage characteristics of the capacitor sample according to the embodiment of the present invention.
[0031]
1st Embodiment As shown in FIG. 1 and FIG. 2, a capacitor composite circuit element 20 according to the present embodiment constitutes a smoothing circuit, and has a capacitor 2 and an inductor 30 connected in parallel, The capacitor 2 and the inductor 30 are integrally formed on the substrate 4 by laminating by a thin film forming method.
[0032]
As shown in FIG. 2, the capacitor 2 in the capacitor composite circuit element 20 has a substrate 4 on which a lower electrode thin film 6 is formed. On the lower electrode thin film 6, a dielectric thin film 8 is formed. An upper electrode thin film 10 is formed on the dielectric thin film 8.
In order to form an inductor 30 by laminating on the capacitor 2, the end of the dielectric thin film 8 and the surface of the upper electrode 10 are covered with a first interlayer insulating layer 12, on which a magnetic layer 14 is formed. Laminated. Inside the magnetic layer 14, a coil layer 18 for constituting the inductor 30 is disposed together with the second interlayer insulating layer 16.
First interlayer insulating layer 12 and second interlayer insulating layer 16 are made of, for example, silicon oxide or silicon nitride, magnetic layer 14 is made of a ferrite material or the like, and coil layer 18 is formed of lower electrode thin film 8 and upper electrode thin film. It is formed of the same conductive layer as that of No. 10, and is formed into a predetermined coil pattern by a photolithography method or the like. These insulating layers 12 and 16, the magnetic layer 14, and the coil layer 18 are formed by a thin film forming method such as CVD or sputtering similar to the thin film forming method for forming the capacitor 2, and are formed into a predetermined pattern by a photolithography method. Processed.
[0033]
The coil layer 18 is formed in a coil pattern so as to constitute the inductor 30 shown in FIG. 1, and both ends thereof are connected to the capacitor 2 in parallel so that the upper electrode thin film 10 and the lower electrode thin film 6 of the capacitor 2 are connected. Need to be connected to. In the present embodiment, both ends of the coil layer 18 are connected to the upper electrode thin film 10 and the lower electrode thin film 6 via contact holes or external terminals (not shown).
[0034]
As the substrate 4, a single crystal having good lattice matching (for example, SrTiO 3 single crystal, MgO single crystal, LaAlO 3 single crystal, etc.), an amorphous material (for example, glass, fused quartz, SiO 2 / Si, etc.), synthetic resin (For example, polyimide resin) and other materials (for example, ZrO 2 / Si, CeO 2 / Si, etc.). In particular, it is preferable to use a substrate that is oriented in the [100] direction such as cubic, tetragonal, orthorhombic, or monoclinic. The thickness of the substrate 4 is not particularly limited, and is, for example, about 10 to 1000 μm.
[0035]
When the substrate 4 is made of a single crystal having good lattice matching, the lower electrode thin film 6 is preferably made of, for example, a conductive oxide such as CaRuO 3 or SrRuO 3 or a noble metal such as Pt or Ru. And more preferably, a conductive oxide or a noble metal oriented in the [100] direction. If a substrate oriented in the [100] direction is used as the substrate 4, a conductive oxide or a noble metal oriented in the [100] direction can be formed on the surface thereof. By forming the lower electrode thin film 6 from a conductive oxide or a noble metal oriented in the [100] direction, the orientation of the dielectric thin film 8 formed on the lower electrode thin film 6 in the [001] direction, that is, the c-axis The orientation increases. Such a lower electrode thin film 6 is manufactured by a normal thin film forming method. For example, in a physical vapor deposition method such as a sputtering method or a pulse laser vapor deposition method (PLD), the substrate 4 on which the lower electrode thin film 6 is formed is formed. The temperature is preferably set to 300 ° C. or higher, more preferably 500 ° C. or higher.
[0036]
When the substrate 4 is made of an amorphous material, the lower electrode thin film 6 can be made of, for example, conductive glass such as ITO. When a single crystal having good lattice matching is used for the substrate 4, it is easy to form the lower electrode thin film 6 oriented in the [100] direction on the surface thereof, thereby forming the lower electrode thin film 6 on the lower electrode thin film 6. The c-axis orientation of the dielectric thin film 8 tends to increase. However, even when an amorphous material such as glass is used for the substrate 4, it is possible to form the dielectric thin film 8 with enhanced c-axis orientation. In this case, it is necessary to optimize the conditions for forming the dielectric thin film 8.
[0037]
Other lower electrode thin films 6 include, for example, noble metals such as gold (Au), palladium (Pd), and silver (Ag) or alloys thereof, and base metals such as nickel (Ni) and copper (Cu) or the like. Alloys can be used.
[0038]
The thickness of the lower electrode thin film 6 is not particularly limited, but is preferably 10 to 1000 nm, more preferably about 50 to 100 nm.
[0039]
The upper electrode thin film 10 can be made of the same material as the lower electrode thin film 6. The thickness may be the same.
[0040]
The dielectric thin film 8 is an example of a thin film capacitor element composition of the present invention, the composition formula: (Bi 2 O 2) 2+ (A m-1 B m O 3m + 1) 2-, or Bi 2 A m-1 containing a bismuth layer compound expressed by B m O 3m + 3. In general, bismuth layer compounds show a layered structure of upper and lower, is sandwiched with a layer of a pair of Bi and O layered perovskite layer continuous perovskite lattice composed of (m-1) number of ABO 3. In the present embodiment, the orientation of the bismuth layered compound in the [001] direction, that is, the c-axis orientation, is enhanced. That is, the dielectric thin film 8 is formed such that the c-axis of the bismuth layer compound is oriented perpendicular to the substrate 4.
[0041]
In the present invention, it is particularly preferable that the c-axis orientation of the bismuth layered compound is 100%, but the c-axis orientation is not necessarily 100%, and the bismuth layered compound is preferably at least 80%, more preferably It is sufficient that 90% or more, more preferably 95% or more, is c-axis oriented. For example, when the bismuth layered compound is c-axis oriented using the substrate 4 made of an amorphous material such as glass, the bismuth layered compound preferably has a c-axis orientation degree of preferably 80% or more. In the case where the bismuth layered compound is c-axis oriented using various thin film forming methods described below, the degree of c-axis orientation of the bismuth layered compound is preferably 90% or more, more preferably 95% or more. .
[0042]
The degree of c-axis orientation (F) of the bismuth layered compound as used herein means that the c-axis X-ray diffraction intensity of a polycrystal having completely random orientation is P0, and the actual c-axis X-ray diffraction intensity is P0. Is P, F (%) = (P−P0) / (1−P0) × 100 (Equation 1) P in Expression 1 is a ratio of the sum of the reflection intensity I (001) from the (001) plane ΣI (001) and the sum of the reflection intensity I (hkl) from each crystal plane (hkl) ΣI (hkl). ({I (001) / {I (hkl)}), and the same applies to P0. However, in Equation 1, the X-ray diffraction intensity P when the crystal is oriented 100% in the c-axis direction is 1. Also, from Equation 1, F = 0% when the orientation is completely random (P = P0), and when completely oriented in the c-axis direction (P = 1). , F = 100%.
[0043]
The c-axis of the bismuth layered compound means a direction connecting a pair of (Bi 2 O 2 ) 2+ layers, that is, a [001] orientation. By thus orienting the bismuth layered compound along the c-axis, the dielectric properties of the dielectric thin film 8 are maximized. That is, even when the thickness of the dielectric thin film 8 is reduced to, for example, 100 nm or less, a relatively high dielectric constant and a low loss (low tan δ) can be provided, the leak characteristics are excellent, the withstand voltage is improved, Has excellent temperature characteristics and excellent surface smoothness. As tan δ decreases, the loss Q (1 / tan δ) value increases.
[0044]
In the above formula, the symbol m is not particularly limited as long as it is a positive number.
[0045]
If the symbol m is an even number, since the mirror has a mirror surface parallel to the c-plane, the spontaneous polarization components in the c-axis direction cancel each other out from the mirror surface, and the polarization axis is shifted in the c-axis direction. Will not have. Therefore, the paraelectric property is maintained, the temperature characteristic of the dielectric constant is improved, and low loss (low tan δ) is realized.
[0046]
In the above formula, the symbol A is composed of at least one element selected from Na, K, Pb, Ba, Sr, Ca and Bi. When the symbol A is composed of two or more elements, their ratio is arbitrary.
[0047]
In the above formula, the symbol B is composed of at least one element selected from Fe, Co, Cr, Ga, Ti, Nb, Ta, Sb, V, Mo and W. When the symbol B is composed of two or more elements, their ratio is arbitrary.
In the present invention, the bismuth layered compound is particularly preferably represented by the chemical formula: Ca x Sr (1-x) Bi 4 Ti 4 O 15 , wherein x in the chemical formula is 0 ≦ x ≦ 1. In the case of this composition, the temperature characteristics are particularly improved.
[0048]
The dielectric thin film 8 is selected from Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu with respect to the bismuth layer compound. It is preferable to further include at least one element Re (a rare earth element including Y). The amount of substitution by the rare earth element varies depending on the value of m. For example, when m = 3, in the composition formula: Bi 2 A 2-x Re x B 3 O 12 , preferably 0.4 ≦ x ≦ 1.8, More preferably, 1.0 ≦ x ≦ 1.4. By substituting the rare earth element within this range, the Curie temperature (the phase transition temperature from ferroelectric to paraelectric) of the dielectric thin film 8 is preferably from -100 ° C to 100 ° C, more preferably -50 ° C or more. It is possible to keep the temperature below 50 ° C. When the Curie point is between -100 ° C and + 100 ° C, the dielectric constant of the dielectric thin film 8 increases. The Curie temperature can also be measured by DSC (differential scanning calorimetry) or the like. When the Curie point is lower than room temperature (25 ° C.), tan δ further decreases, and as a result, the loss Q value further increases.
[0049]
Further, for example, when m = 4 where m is an even number, in the composition formula: Bi 2 A 3-x Re x B 4 O 15 , preferably 0.01 ≦ x ≦ 2.0, more preferably 0.1 ≦ x ≦ 1.0.
[0050]
Although the dielectric thin film 8 does not have the rare-earth element Re, it has excellent leakage characteristics as described later, but the leakage characteristics can be further improved by Re substitution.
[0051]
For example, the dielectric thin film 8 does not have a rare earth element Re, the leakage current measured at the electric field strength 50 kV / cm, preferably 1 × 10 -7 A / cm 2 or less, more preferably 5 × 10 - 8 A / cm 2 or less, and the short circuit rate can be preferably 10% or less, more preferably 5% or less.
[0052]
On the other hand, in the dielectric thin film 8 having the rare earth element Re, the leak current measured under the same conditions is preferably 5 × 10 −8 A / cm 2 or less, more preferably 1 × 10 −8 A / cm 2. A / cm 2 or less, and the short-circuit rate can be preferably 5% or less, more preferably 3% or less.
[0053]
The dielectric thin film 8 is formed using various thin film forming methods such as a vacuum evaporation method, a high-frequency sputtering method, a pulse laser evaporation method (PLD), a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, and a liquid phase method (CSD method). be able to. When the dielectric thin film 8 needs to be formed at a particularly low temperature, plasma CVD, optical CVD, laser CVD, optical CSD, and laser CSD are preferred.
[0054]
In the present embodiment, the dielectric thin film 8 is formed using a substrate or the like oriented in a specific direction (such as the [100] direction). From the viewpoint of reducing the manufacturing cost, it is more preferable to use the substrate 4 made of an amorphous material. By using the dielectric thin film 8 formed in this way, a bismuth layered compound having a specific composition is configured to be c-axis oriented. In such a dielectric thin film 8 and the thin film capacitor 2 using the same, even if the thickness of the dielectric thin film is reduced to, for example, 200 nm or less, a relatively high dielectric constant and a low loss can be given, and the leakage characteristics are reduced. Excellent, improved withstand voltage, excellent temperature characteristics of dielectric constant, and excellent surface smoothness.
[0055]
Since the thickness of the dielectric thin film 8 can be reduced, it is possible to simultaneously increase the capacity of the capacitor 2 and reduce its size. Moreover, in the present embodiment, since the surface of the dielectric thin film 8 in the capacitor 2 is excellent, the inductor 30 can be easily laminated on the capacitor 2 by a thin film forming method.
[0056]
Further, the thickness including the packaging in the capacitor composite circuit element 20 including the capacitor 2 and the inductor 30 can be reduced to about 0.05 to 0.5 mm. Therefore, the capacitor composite circuit device 20 according to the present embodiment can be easily embedded in a thin electronic device such as an extremely thin IC card.
[0057]
Further, since the dielectric thin film 8 has excellent temperature characteristics, the capacitance of the capacitor does not change even when the operating temperature environment changes, so that the function of the element is maintained.
[0058]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be variously modified within the scope of the present invention.
For example, the capacitor 2 may be combined with a circuit element other than the inductor 30 to form a capacitor composite circuit element. The circuit element that can be combined with the capacitor 2 is not particularly limited, but may be a passive element such as a resistor, or an active element such as a semiconductor element. As a circuit element combining a capacitor and an inductor in applications other than the smoothing circuit element, a composite device for a monolithic-microwave IC (MMIC) is exemplified. Further, as a specific application in which an active element or a passive element is combined with a capacitor, an HMIC or a hybrid circuit board is exemplified.
[0059]
Further, in the present invention, the dielectric thin film 8 may be laminated in multiple layers on the surface of the substrate 4 via the electrode films 6 and 10. Since the dielectric thin film of the capacitor according to the present invention has excellent surface smoothness, even if it is thin, it has excellent insulation properties and pressure resistance, and can be stacked in a larger number than before.
[0060]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described based on more detailed examples, but the present invention is not limited to these examples. In the following embodiments, examples for confirming the characteristics of the capacitor alone in the capacitor composite circuit device according to the present invention will be described. If the characteristics of the novel capacitor alone according to the present invention can be confirmed, stacking other circuit elements such as an inductor thereon can be achieved by thin film forming technology and photolithography conventionally used in semiconductor manufacturing processes and the like. It can be easily realized by the method.
[0061]
Example 1
An SrTiO 3 single crystal substrate ((100) SrRuO 3 // (100) SrTiO 3 ) in which SrRuO 3 serving as a lower electrode thin film was epitaxially grown in the [100] direction was heated to 700 ° C. Next, Ca (C 11 H 19 O 2 ) 2 (C 8 H 23 N 5 ) 2 and Sr (C 11 H 19 O 2 ) 2 (C 8 H 23 N 5 ) are formed on the surface of the SrRuO 3 lower electrode thin film. 2 , Bi (CH 3 ) 3 and Ti (OiC 3 H 7 ) 4 are used as raw materials, and a MOX CVD method is used to form Ca x Sr (1-x) Bi 4 Ti 4 O 15 having a film thickness of about 100 nm. A plurality of thin films (dielectric thin films) were formed while changing x = 0,1. The control of the value of x was performed by adjusting the carrier gas flow rates of the Ca raw material and the Sr raw material.
In the above formula, when x = 0 is, SrBi 4 Ti 4 O 15 thin film (SBTI film / composition formula: in Bi 2 A m-1 B m O 3m + 3, symbol m = 4, the symbols A 3 = Sr + Bi 2 and The symbol B 4 is represented as Ti 4 ). Further, in the case x = 1, CaBi 4 Ti 4 O 15 thin film (CBTI film / composition formula: Bi 2 in A m-1 B m O 3m + 3, symbol m = 4, the symbols A 3 = Ca + Bi 2 and the symbol B 4 = Ti 4 ).
[0062]
When the crystal structures of these dielectric thin films were measured by X-ray diffraction (XRD), they were found to be oriented in the [001] direction, that is, c-axis perpendicular to the surface of the SrTiO 3 single crystal substrate. It could be confirmed. The surface roughness (Ra) of these dielectric thin films was measured by AFM (atomic force microscope, manufactured by Seiko Instruments, SPI3800) according to JIS-B0601.
[0063]
Next, a 0.1 mmφ Pt upper electrode thin film was formed on the surface of these dielectric thin films by a sputtering method, and a sample of the thin film capacitor 2 shown in FIG. 3 was produced.
[0064]
The electrical characteristics (dielectric constant, tan δ, loss Q value, leakage current, breakdown voltage) of the obtained capacitor samples and the temperature characteristics of the dielectric constant were evaluated.
The dielectric constant (without unit) was measured by using a digital LCR meter (4274A manufactured by YHP) for a capacitor sample at room temperature (25 ° C.) at a measurement frequency of 100 kHz (AC 20 mV). It was calculated from the electrode dimensions of the sample and the distance between the electrodes.
tan δ was measured under the same conditions as those under which the capacitance was measured, and the loss Q value was calculated accordingly.
[0065]
The leak current characteristic (unit: A / cm 2 ) was measured at an electric field strength of 50 kV / cm.
[0066]
The temperature characteristic of the dielectric constant is obtained by measuring the dielectric constant of the capacitor sample under the above conditions, and setting the reference temperature at 25 ° C., the average change rate of the dielectric constant with respect to the temperature within the temperature range of −55 to + 150 ° C. ( Δε) was measured, and the temperature coefficient (ppm / ° C.) was calculated. The breakdown voltage (unit: kV / cm) was measured by increasing the voltage in the leak characteristic measurement.
Table 1 shows the results.
[0067]
[Table 1]
[0068]
Evaluation As shown in Table 1, the c-axis oriented film of the bismuth layered compound obtained in Example 1 has a withstand voltage as high as 1000 kV / cm or more and a leak current as low as about 1 × 10 −7 or less. It was confirmed that the dielectric constant was 200 or more, tan δ was 0.02 or less, and the loss Q value was 50 or more. As a result, further thinning can be expected, and a higher capacity as a thin film capacitor can be expected.
[0069]
Further, in Example 1, it was confirmed that the temperature coefficient was very small at ± 150 ppm / ° C. or less, but the dielectric constant was relatively large at 200 or more, and that it had excellent basic characteristics as a temperature compensating capacitor material. did it. Furthermore, in Example 1, it was confirmed that the material was excellent in surface smoothness, and thus was a thin film material suitable for producing a laminated structure. That is, Example 1 confirmed the effectiveness of the c-axis oriented film of the bismuth layered compound.
[0070]
Example 2
In this example, the frequency characteristics and the voltage characteristics were evaluated using the sample of the thin film capacitor manufactured in Example 1.
[0071]
The frequency characteristics were evaluated as follows. For the capacitor sample, the frequency was changed from 1 kHz to 1 MHz at room temperature (25 ° C.), the capacitance was measured, and the result of calculating the dielectric constant was shown in FIG. An LCR meter was used for measuring the capacitance. As shown in FIG. 4, it was confirmed that the value of the dielectric constant did not change even when the frequency at a specific temperature was changed to 1 MHz. That is, it was confirmed that the frequency characteristics were excellent.
[0072]
The voltage characteristics were evaluated as follows. For the capacitor sample, the measurement voltage (applied voltage) at a specific frequency (100 kHz) was changed from 0.1 V (electric field strength 5 kV / cm) to 5 V (electric field strength 250 kV / cm), and the electrostatic capacity under the specific voltage was changed. FIG. 5 shows the results of measuring the capacitance (measurement temperature is 25 ° C.) and calculating the dielectric constant. An LCR meter was used for measuring the capacitance. As shown in FIG. 5, it was confirmed that the value of the dielectric constant did not change even when the measurement voltage under the specific frequency was changed to 5V. That is, it was confirmed that the voltage characteristics were excellent.
[0073]
Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments and examples in any way, and may be implemented in various modes without departing from the gist of the present invention. Obviously you can get it.
[0074]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, for example, an inductor having a small size enough to be arranged inside an IC card, a small change in characteristics even at high temperatures, a large capacity and a low dielectric loss, It is possible to provide a capacitor composite circuit element in which a circuit element other than a capacitor such as an element is combined with a capacitor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a capacitor composite circuit device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view of a capacitor composite circuit device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a sample for testing a capacitor alone in the capacitor composite circuit device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing frequency characteristics of a capacitor sample according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing voltage characteristics of a capacitor sample according to an example of the present invention.
[Explanation of symbols]
2 Capacitor 4 Substrate 6 Lower electrode thin film 8 Dielectric thin film 10 Upper electrode thin film 18 Coil layer 20 Capacitor composite circuit element 30 Inductor
