JP2005108885A

JP2005108885A - 薄膜コンデンサおよびコンデンサ装置

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Publication number: JP2005108885A
Application number: JP2003336267A
Authority: JP
Inventors: Tsuneo Mishima; 常雄見島
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2005-04-21

Abstract

【課題】温度特性の良い薄膜コンデンサを工程を複雑にせず歩留まりよく提供すること。
【解決手段】２つの電極の間に、複数の相転移点を有する誘電体材料からなり、かつ隣合う２つの相転移点の間の温度で使用する誘電体層を設けた薄膜コンデンサとし、特に、前記誘電体材料は、（Ｂａ_ｘＳｒ_１−ｘ）Ｔｉ_ｙＯ_{１＋２ｙ―ｚ}（ただし、0.8≦ｘ≦0.9，0.8≦ｙ≦1.2，ｚ＜0.3）で表わされること、前記誘電体層を構成する結晶粒子が、直径０．５μｍ以下の等軸結晶粒子および短軸径が0.5μｍ以下の柱状結晶粒子うちのいずれか１種以上からなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度特性の良好な薄膜コンデンサおよびそれを用いたコンデンサ装置に関するものである。

従来、コンデンサには、上下電極層および誘電体層が薄膜で形成された薄膜コンデンサがある。これは通常、電気絶縁性の支持基板上に薄膜状の下部電極層、誘電体層および上部電極層がこの順に積層されて構成されている。このような薄膜コンデンサでは、下部電極層および上部電極層が夫々スパッタ，真空蒸着などで形成されており、誘電体層もスパッタ，ゾルゲル法等で形成されている。また、このような薄膜コンデンサの製造には、通常、以下のようにフォトリソグラフィの手法が用いられる。先ず、絶縁性支持基板上の全面に下部電極層となる導体層を形成した後、必要部のみをフォトレジストで覆い、その後、ウエットエッチング又は、ドライエッチングで不要部を除去して、所定形状の下部電極層を形成する。次に、支持基板上に薄膜誘電体層となる誘電体層を全面に形成し、下部電極層同様に、不要部を除去して所定形状の薄膜誘電体層を形成する。最後に上部電極層となる導体層を全面に形成し、不要部を除去して所定形状の上部電極層を形成する。また、保護層やハンダ端子部を形成することにより、表面実装が可能になる。

また、薄膜コンデンサは、複数の温度特性の異なる誘電体材料を積層し、並列接続することにより、コンデンサとしての温度特性を改善することが従来行われている（例えば特許文献１，２を参照）。
特開平３−252160号公報特表平11−511906号公報

上述の様な薄膜コンデンサの製造においては、温度特性の異なる複数の誘電体層を多層化する必要があるため、工程が複雑になり、歩留まりが低下するという問題がある。

また、温度特性を制御するためには、複数の誘電体の温度特性を正確に把握し、各層の誘電体の厚みを正確に制御する必要があり、そのために製造工程が煩雑となる。

また、薄膜誘電体の特性は直下の層の状態により異なってくるため、例えば、同じ誘電体層を形成する場合でも、何層目に形成するかで誘電特性が異なってくる。この様な薄膜誘電体を用いて、多層化により温度特性を制御するのは困難であり、歩留まりが低下するという問題がある。

さらに、薄膜誘電体の特性は成膜後の温度履歴によっても異なってくるため、例えば、同じ誘電体層を同じ条件で成膜形成した場合でも、その後、別の相を成膜する場合、最初に成膜した誘電体層は、後から成膜する別の誘電体層の成膜条件で熱処理されることになり、誘電特性が異なってくる。この様な薄膜誘電体を用いて、多層化により温度特性を制御するのは困難であり、歩留まりが低下するという問題がある。

そこで、本発明は上述の諸問題に鑑みて提案されたものであり、その目的は、製造工程が簡単でかつ歩留まりが低下せずに、しかも特性の優れた薄膜コンデンサおよびコンデンサ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の薄膜コンデンサは、１）２つの電極の間に、複数の相転移点を有する誘電体材料からなり、かつ隣合う２つの相転移点の間の温度で使用する誘電体層を設けたことを特徴とする。

また、２）上記１）において、前記誘電体材料は、（Ｂａ_ｘＳｒ_１−ｘ）Ｔｉ_ｙＯ_{１＋２ｙ―ｚ}（ただし、0.8≦ｘ≦0.9，0.8≦ｙ≦1.2，ｚ＜0.3）で表わされることを特徴とする。

また、３）上記１）において、前記誘電体層を構成する結晶粒子が、直径0.5μｍ以下の等軸結晶粒子および短軸径が0.5μｍ以下の柱状結晶粒子うちのいずれか１種以上からなることを特徴とする。

さらに、本発明のコンデンサ装置は、４）１）の薄膜コンデンサの複数を並列接続してなることを特徴とする。

本発明の薄膜コンデンサによれば、複数の相転移点を有する誘電体材料を用いることから、相転移点間の温度では温度特性の良い温度範囲が存在し、良好な特性を有し、信頼性の高い薄膜コンデンサを提供できる。

また、本発明の薄膜コンデンサは前記誘電体材料の相転移点のうち隣合う２つの相転移点の間の温度で使用するので、薄膜コンデンサを使用する温度範囲内で、温度特性の良い信頼性の高い薄膜コンデンサを提供できる。

また、本発明の薄膜コンデンサは前記誘電体材料が（Ｂａ_ｘＳｒ_１−ｘ）Ｔｉ_ｙＯ_{１＋２ｙ―ｚ}（ただし、0.8≦ｘ≦0.9，0.8≦ｙ≦1.2，ｚ＜0.3）で表わされるので、この組成では、立方晶から正方晶への転移点が70℃から100℃にあり、正方晶から斜方晶への転移点が−30℃から０℃にあり、この温度範囲では特に温度特性の良い薄膜コンデンサが得られる。

また、本発明の薄膜コンデンサは前記誘電体層を構成する結晶粒子が、直径0.5μｍ以下の等軸結晶粒子および短軸径が0.5μｍ以下の柱状粒子のうち１種以上からなることを特徴とする薄膜コンデンサであるので、誘電率が低く抑えられ、誘電特性の温度依存性が粒径が大きな誘電体材料より小さくなるため、特に温度特性が良い薄膜コンデンサが得られる。

また、本発明のコンデンサ装置は、上記薄膜コンデンサの複数を並列接続してなる。特に、上記薄膜コンデンサに、誘電体層がＳｉ_３Ｎ_４またはＳｉＯ_２からなる別の薄膜コンデンサが並列に接続されたコンデンサ装置とすることができる。このように、誘電体層が温度特性の良いＳｉ_３Ｎ_４またはＳｉＯ_２からなる別の薄膜コンデンサが並列に接続されていることから、温度特性の良いコンデンサ装置を提供できる。

以上のように、本発明では単一の誘電体層を用いるので、多層化膜の様に構造・製造プロセスが複雑にならず、温度特性の良い薄膜コンデンサおよびコンデンサ装置を歩留まりよく提供できる。

以下、本発明に係る薄膜コンデンサおよびコンデンサ装置を図面を参照にしつつ説明する。図１は本発明の薄膜コンデンサの容量形成部の断面図を示すものである。図１において１は支持基板であり、２は下部電極層であり、３は薄膜誘電体層であり、４は上部電極層である。また、薄膜誘電体層３の周囲には絶縁体層５が配置され、上部電極層４および絶縁体層５の上部には上部引き出し電極６が形成される。

支持基板１はアルミナなどのセラミック基板、サファイアなどの単結晶基板などである。そして、支持基板1の表面には、下部電極層２が形成されている。下部電極層２、薄膜誘電体層３、上部電極層４は支持基板上の全面に同一バッチでスパッタ法で形成され、全層のスパッタ終了後に、先ず薄膜誘電体層３および上部電極層４が所定形状のフォトレジスト層を用いて同一形状に物理的にエッチングされ、その後に下部電極層２が所定形状のフォトレジスト層を用いて物理的または化学的にエッチングされる。

下部電極層２は、薄膜誘電体層３の形成に高温スパッタが必要となるため、高融点でしかも貴金属であるＰｔなどである。この下部電極層２は、例えば、基板温度150℃から700℃で形成されている。その後、薄膜誘電体層３のスパッタ温度である700〜900℃へ加熱され、スパッタ開始まで一定時間保持することにより平坦な薄膜となる。

この下部電極層２の厚みは、端子部から容量形成部までの抵抗成分、下部電極層２の連続性（いずれも厚みが厚い方が望ましい）および支持基板１との密着性（厚みが相対的に薄い方が望ましい）を考慮して決定され、例えば、0.1〜10μmとしている。なぜなら、0.1μｍよりも小さくなると、電極自身の抵抗が大きくなると同時に、電極の連続性がなくなり、信頼性が劣るからである。一方、10μｍを超えると支持基板１との密着信頼性が低下したり、支持基板１にそりが生じたりするからである。

尚、下部電極層２を構成する金属材料は、高融点の貴金属Ｐｔ，Ｐｄ以外に、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕなどと積層化・合金化し、抵抗値をさげることも可能である。

薄膜誘電体層３は、（Ｂａ_ｘＳｒ_１−ｘ）Ｔｉ_ｙＯ_{１＋２ｙ―ｚ}（ただし、0.8≦ｘ≦0.9，0.8≦ｙ≦1.2，ｚ＜0.3）である誘電体層である。この薄膜誘電体層３は、上述の下部電極層２の表面に形成されている。例えば、（Ｂａ_ｘＳｒ_１−ｘ）Ｔｉ_ｙＯ_{１＋２ｙ―ｚ}（ただし、0.8≦ｘ≦0.9，0.8≦ｙ≦1.2，ｚ＜0.3）で表される誘電体材料である誘電体をターゲットとして、スパッタリングを行なう。例えば、基板温度を800℃として、厚みを考慮した時間だけ成膜を行う。高温でスパッタを行なうことにより、スパッタ後の熱処理を行なうこと無く、高誘電率で変化率が大きく損失の低い薄膜誘電体層が得られる。

ここで、誘電体層は、２つの電極の間に、複数の相転移点を有する誘電体材料からなり、かつ隣合う２つの相転移点の間の温度で使用される。特に上記組成では、立方晶から正方晶への転移点が70℃から100℃にあり、正方晶から斜方晶への転移点が−30℃から０℃にあり、この温度範囲では特に温度特性の良い薄膜コンデンサが得られる。また、前記誘電体層を構成する結晶粒子が、直径0.5μｍ以下の等軸結晶粒子および短軸径が0.5μｍ以下の柱状粒子のうち１種以上からなることにより、誘電率が低く抑えられ、誘電特性の温度依存性が粒径が大きな誘電体材料より小さくなるため、特に温度特性が良い薄膜コンデンサが得られる。なお、隣合う２つの相転移点の間の温度とは、３以上の相転移点があった場合に、隣合う２つの相転移点の間が複数領域にあるが、一つの領域以上で使用されるものとし、複数の領域で使用されてもよいこととする。

上部電極層４の材料としては電極の抵抗を下げるため、抵抗率の小さなＡｕが望ましく、その他に、Ａｇ，Ｃｕなども使用できるが、薄膜誘電体層との密着性向上のためにはＰｔ，Ｐｄなどの高融点貴金属が望ましい。密着性と低抵抗を同時に満たすために、ＰｔまたはＰｄとＡｕ、ＡｇまたはＣｕを積層して用いても良い。この上部電極層４の厚みは0.1μｍ〜10μmとしている。この厚みの下限については、下部電極層２と同様に、電極自身の抵抗を考慮して設定される。また、厚みの上限については、密着性の低下を考慮して設定される。

本発明の容量可変薄膜コンデンサ素子においては、上述の様に、下部電極層２、薄膜誘電体層３、上部電極層４を同一バッチでスパッタ成膜でき、大気に曝すこと無く上部電極層まで成膜できるので、下部電極２層−薄膜誘電体層３間、薄膜誘電体層３−上部電極層４間に油脂等の、余分な付着が起こらないので、密着性が大幅に改善され、下部電極層２−薄膜誘電体層３間、薄膜誘電体層３−上部電極層４間への水分等の浸入を防止することができ、耐湿性を大幅に改善することができ、非常に安定した特性を導出できる容量形成部が形成できる。

絶縁体層５は、薄膜誘電体層３および上部電極層４の周囲に形成されるものであり、材料はＳｉ_３Ｎ_４，ＳｉＯ_２等のセラミックスなどとする。このような絶縁体層５は、例えば下部電極層２、上部電極層４および支持基板１上に形成され、上部電極層４の上面が露出するように、ドライエッチングで不要部分を除去する。通常のフォトレジストを用いるドライエッチング工程の他に以下の方法も利用できる。絶縁体層５をスパッタで成膜する場合、スパッタでは、ターゲットのある一点から色々な方向にターゲット構成物質が放出されるので、支持基板１上のある一点には色々な方向から飛来したターゲット構成物質が堆積していくことになる。ところが、ドライエッチングでは並行に置かれたエッチング装置の電極間で加速されたイオンにより、エッチングが行なわれるため、膜に垂直方向にエッチングが進行する。上部電極層４の最上面に絶縁層５との密着性が悪いＡｕを用いれば、エッチング中に上部電極層４上の絶縁体層５とその周囲の絶縁体層５が完全に分断された時点で上部電極層４上の絶縁体層５が自動的に除去できる。何らかの原因で除去できない場合は超音波洗浄または300℃程度の加熱で完全に除去することができる。

この様な方法ではフォトレジスト層のサイズ、位置合わせの精度は重要ではなく、上部電極層４よりも大きな窓を持つフォトレジスト層を用いればよい。また、全くフォトレジストを用いなくても同様の加工が可能である。エッチング時に上部電極層４、および薄膜誘電体層３の周囲の絶縁体層５もエッチングされ、浮遊容量発生の原因になるので初期の絶縁層の厚みは厚い方が望ましい。

上部引出し電極層６は上部電極層４と端子配置部を連結するものである。上部引出し電極６には、Ａｇ，Ｃｕ、などの安価で低抵抗な金属を用いることができる。絶縁体層５が下部電極層２と上部引出し電極層６に挟まれた部分は浮遊容量の原因となるので、上部引出し電極層６のサイズは浮遊容量と抵抗を考慮して決定する。なお、絶縁体層５による浮遊容量は、誘電体層３による容量形成部に並列に接続されていることになる。

かくして、本発明の薄膜コンデンサおよびコンデンサ装置によれば、単一の誘電体層を用いていることから、多層化膜の様に構造・製造プロセスが複雑にならず、温度特性の良い薄膜コンデンサおよびコンデンサ装置を歩留まりよく提供できる。

支持基板としてサファイアＲ基板上に、下部電極層２としてＰｔを、基板温度700℃でスパッタ法により形成した。薄膜誘電体層３として（Ｂａ_０．８５Ｓｒ_０．１５）Ｔｉ_１．０Ｏ_３からなるターゲットを用いて同一バッチで成膜した。

また、基板温度は800℃、成膜時間は20分で成膜を行なった。成膜開始前にＰｔ電極の平坦化のためのアニールとして800℃で15分間保持した。その上に、上部電極層４としてＰｔおよびＡｕ電極層を同一バッチで形成した。そして、取り出した後、フォトレジスト層を形成し、ＥＣＲ装置により上部電極層４をエッチングし、同様に薄膜誘電体層３および下部電極層２をＥＣＲでエッチングし容量形成部を形成した。

フォトレジスト層の剥離後、ＳｉＯ_２層をスパッタにより600℃で成膜し、ＥＣＲ（Electron Cycltoron Resonance）装置で15分程度エッチングし、上部電極層４上のＳｉＯ_２層のみを除去した。部分的に除去されていない上部電極層４上のＳｉＯ_２層については純水中で超音波洗浄することにより完全に除去した。

また、上部引き出し電極６としてＮｉおよびＡｕをスパッタ成膜し、不要部をエッチングで除去し、上部電極４と端子部との接続を行った。

ＬＣＲメータ（ヒューレットパッカード社製，HP4274A）による誘電率の温度特性の測定結果を図２に示す。図２は横軸に温度、縦軸に20℃の時の容量を基準とした容量比をプロットしたものである。この結果から−40℃から70℃の温度範囲で誘電率がほぼ一定ある薄膜コンデンサが得られた。

本発明に係る薄膜コンデンサの容量形成部の断面図である。本発明に係る薄膜コンデンサの温度特性を示すグラフである。

符号の説明

１・・・支持基板
２・・・下部電極層
３・・・薄膜誘電体層
４・・・上部電極層
５・・・絶縁体層
６・・・上部引き出し電極

Claims

２つの電極の間に、複数の相転移点を有する誘電体材料からなり、かつ隣合う２つの相転移点の間の温度で使用される誘電体層を設けたことを特徴とする薄膜コンデンサ。
前記誘電体材料は、（Ｂａ_ｘＳｒ_１−ｘ）Ｔｉ_ｙＯ_{１＋２ｙ―ｚ}（ただし、０．８≦ｘ≦０．９，０．８≦ｙ≦１．２，ｚ＜０．３）で表わされることを特徴とする請求項１に記載の薄膜コンデンサ。
前記誘電体層は、直径０．５μｍ以下の等軸結晶粒子および短軸径が０．５μｍ以下の柱状結晶粒子うちのいずれか１種以上からなることを特徴とする請求項１に記載の薄膜コンデンサ。
請求項１に記載の薄膜コンデンサの複数を並列接続してなることを特徴とするコンデンサ装置。