JP2005109410A - 薄膜コンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 下部電極と上部電極間の耐圧が高く、且つ、両者間の短絡の生じない薄膜コンデンサを提供する。
【解決手段】 基板１上に設けられた下部電極２と、この下部電極２の上面２ａと下部電極２の少なくとも１つの端面２ｂとに跨って形成された第１の誘電体薄膜３と、この第１の誘電体薄膜３の段差部を覆うように、第１の誘電体薄膜３上に形成された第２の誘電体膜４と、下部電極２に対向した状態で第１の誘電体薄膜３上と第２の誘電体膜４上に形成された上部電極６とを備え、第２の誘電体膜４の誘電率を第１の誘電体薄膜３の誘電率よりも高くした。
【選択図】 図１

Description

本発明は電圧制御発振器等から成る電子ユニットに使用して好適な薄膜コンデンサに関する。

図４は従来の薄膜コンデンサの要部拡大断面図であって、アルミナ基板などからなる基板５１の上面には、銅や銅合金の金属材からなる下部電極５２が薄膜によって形成されている。

また、酸化シリコン等からなる第１の誘電体薄膜５３は、下部電極５２の上面５２ａを覆う上方薄膜部５３ａと、下部電極５２の両端面５２ｂ、５２ｃのそれぞれを覆う側方薄膜部５３ｂ、５３ｃを有し、この第１の誘電体薄膜５３によって、下部電極５２の外表面を覆った状態となっている。

第２の誘電体膜５４は、アクリル系樹脂やフッ素系樹脂等の絶縁材からなり、この第２の誘電体膜５４は、第１の誘電体薄膜５３の第１の段差部である側方薄膜部５３ｂ、及びこの側方薄膜部５３ｂの近傍に位置する上方薄膜部５３ａを覆うように形成されている。

そして、第２の誘電体膜５４は、第１の誘電体薄膜５３の上方薄膜部５３ａに対して垂直な端面部５４ａを有し、上方薄膜部５３ａ上に形成された同じ膜厚かななる上方膜部５４ｂと、第１の誘電体薄膜５３の側方薄膜部５３ｂを覆う側方膜部５４ｃを有する。

また、第３の誘電体膜５５は、アクリル系樹脂やフッ素系樹脂等の絶縁材からなり、この第３の誘電体膜５５は、第１の誘電体薄膜５３の第２の段差部である側方薄膜部５３ｃ、及びこの側方薄膜部５３ｃの近傍に位置する上方薄膜部５３ａを覆うように形成されている。

そして、第３の誘電体膜５５は、第１の誘電体薄膜５３の上方薄膜部５３ａに対して垂直な端面部５５ａを有し、上方薄膜部５３ａ上に形成された同じ膜厚からなる上方膜部５５ｂと、第１の誘電体薄膜５３の側方薄膜部５３ｃを覆う側方膜部５５ｃを有する。

銅や銅合金等の金属材からなる薄膜の上部電極５６は、下部電極５２に対向した状態で、第１の誘電体薄膜５３上と、第２、第３の誘電体膜５４上、５５上、及び基板５１の上面５１ａ上に跨って形成されている（例えば、特許文献１参照）

このような構成を有する従来の薄膜コンデンサは、下部電極５２のエッジ部５２ｄにおける第１の誘電体薄膜５３の膜厚が薄くなって、この薄い部分の耐圧が低下するが、この段差部に第２、第３の誘電体膜５４、５５を設けることによって、耐圧の低下を防止している。

しかし、第２、第３の誘電体膜５４、５５の上方膜部５４ｂ、５５ｂは、同じ膜厚で形成されると共に、その端面部５４ａ、５５ａは、第１の誘電体薄膜５３の上方薄膜部５３ａに対して垂直な状態で配置されている。

その結果、上部電極５６にプラス電圧を印加すると共に、下部電極５２にマイナス電圧を印加して、長時間負荷テストを行うと、端面部５４ａ、５５ａを含むその近傍において、電界強度が集中して、端面部５４ａ、５５ａを含むその近傍に位置する第１の誘電体薄膜５３の上方薄膜部５３ａには、上部電極５６からの銅イオンの移行（マイグレーション）が著しくなって、下部電極５２と上部電極５６間の耐圧が低下したり、或いは、下部電極５２と上部電極５６間が短絡を生じたりする。

特開２００２−１７６１０５号公報

従来の薄膜コンデンサは、第２、第３の誘電体膜５４、５５の上方膜部５４ｂ、５５ｂの端面部５４ａ、５５ａが第１の誘電体薄膜５３の上方薄膜部５３ａに対して垂直な状態で配置されているため、端面部５４ａ、５５ａを含むその近傍において、電界強度が集中して、端面部５４ａ、５５ａを含むその近傍に位置する第１の誘電体薄膜５３の上方薄膜部５３ａには、上部電極５６からの銅イオンの移行（マイグレーション）が著しくなって、下部電極５２と上部電極５６間の耐圧が低下したり、或いは、下部電極５２と上部電極５６間が短絡を生じたりするという問題がある。

そこで、本発明は下部電極と上部電極間の耐圧が高く、且つ、両者間の短絡の生じない薄膜コンデンサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するための第１の手段として、基板上に設けられた下部電極と、この下部電極の上面と前記下部電極の少なくとも１つの端面とに跨って形成された第１の誘電体薄膜と、この第１の誘電体薄膜の段差部を覆うように、前記第１の誘電体薄膜上に形成された第２の誘電体膜と、前記下部電極に対向した状態で前記第１の誘電体薄膜上と前記第２の誘電体膜上に形成された上部電極とを備え、前記第２の誘電体膜の誘電率を前記第１の誘電体薄膜の誘電率よりも高くした。

また、第２の解決手段として、前記第１の誘電体薄膜は、前記下部電極の前記上面に形成された上方薄膜部と、前記下部電極の前記端面に形成された側方薄膜部を有し、前記上方薄膜部と前記側方薄膜部とによって形成されるエッジ部における前記第１の誘電体薄膜の膜厚は前記上方薄膜部の膜厚よりも薄く形成されており、前記第１の誘電体薄膜の誘電率をε１、前記上方薄膜部の膜厚をｔ、前記エッジ部における前記第１の誘電体薄膜の膜厚をｔ１、前記エッジ部に対応する前記第２の誘電体膜の膜厚をｔ２とした場合、前記第２の誘電体膜の誘電率ε２を次式を満足する値にした。
ε１＜ε２＜ｔ２×ε１／（ｔ−ｔ１）

また、第３の解決手段として、前記第２の誘電体膜は、前記第１の誘電体薄膜の前記上方薄膜部に位置する上方膜部と、前記第１の誘電体薄膜の前記側方薄膜部に位置する側方膜部を有し、前記上方膜部の膜厚を前記上方膜部の端部から前記側方膜部側に向かって漸次厚くした。

また、第４の解決手段として、前記段差部とは反対側の前記上方薄膜部上に第３の誘電体膜を形成すると共に、前記上部電極を前記上方薄膜部上と前記第３の誘電体膜上とに形成し、前記第３の誘電体膜の誘電率を前記第１の誘電体薄膜の誘電率よりも大きくした。

また、第５の解決手段として、前記第３の誘電体膜の膜厚を前記第３の誘電体膜の端部から前記段差部とは反対側に向かって漸次厚くした。

また、第６の解決手段として、前記第２の誘電体膜と前記第３の誘電体膜とを同じ材料で形成した。

本発明の薄膜コンデンサは、基板上に設けられた下部電極と、この下部電極の上面と下部電極の少なくとも１つの端面とに跨って形成された第１の誘電体薄膜と、この第１の誘電体薄膜の段差部を覆うように、第１の誘電体薄膜上に形成された第２の誘電体膜と、下部電極に対向した状態で第１の誘電体薄膜上と第２の誘電体膜上に形成された上部電極とを備え、第２の誘電体膜の誘電率を第１の誘電体薄膜の誘電率よりも高くしたので、上部電極が、第１の誘電体薄膜の上面と第２の誘電体膜の上面とに交叉する部分において電界が集中するが、第２の誘電体膜の誘電率が第１の誘電体薄膜の誘電率よりも大きいので、電界の集中が緩和される。よって、この部分の近傍での両電極間の銅イオンの移行（マイグレーション）が少なくなって、下部電極と上部電極間の耐圧が高くなると共に、下部電極と上部電極間の短絡が無くなる。

また、第１の誘電体薄膜は、下部電極の上面に形成された上方薄膜部と、下部電極の端面に形成された側方薄膜部を有し、上方薄膜部と側方薄膜部とによって形成されるエッジ部における第１の誘電体薄膜の膜厚は上方薄膜部の膜厚よりも薄く形成されており、第１の誘電体薄膜の誘電率をε１、上方薄膜部の膜厚をｔ、エッジ部における第１の誘電体薄膜の膜厚をｔ１、エッジ部に対応する第２の誘電体膜の膜厚をｔ２とした場合、第２の誘電体膜の誘電率ε２を、ε１＜ε２＜ｔ２×ε１／（ｔ−ｔ１）を満足する値にしたので、エッジ部における電界の集中が緩和されてこの部分の近傍での第１の誘電体薄膜の耐圧が大きくなり、両電極間の銅イオンの移行（マイグレーション）が少なくなって、下部電極と上部電極間の耐圧が高くなると共に、下部電極と上部電極間の短絡が無くなる。

また、第２の誘電体膜は、第１の誘電体薄膜の上方薄膜部に位置する上方膜部と、第１の誘電体薄膜の側方薄膜部に位置する側方膜部を有し、上方膜部の膜厚を上方膜部の端部から側方膜部側に向かって漸次厚くしたので、電界の集中が一層緩和されて、第１の誘電体薄膜の耐圧がより大きくなる。

また、段差部とは反対側の上方薄膜部上に第３の誘電体膜を形成すると共に、上部電極を前記上方薄膜部上と第３の誘電体膜上とに形成し、第３の誘電体膜の誘電率を第１の誘電体薄膜の誘電率よりも大きくしたので、上部電極が、第１の誘電体薄膜の上面と第３の誘電体膜の上面とに交叉する部分において電界が集中するが、第３の誘電体膜の誘電率が第１の誘電体薄膜の誘電率よりも大きいので、電界の集中が緩和される。よって、この部分の近傍での両電極間の銅イオンの移行（マイグレーション）が少なくなって、下部電極と上部電極間の耐圧が高くなると共に、下部電極と上部電極間の短絡が無くなる。。

また、第３の誘電体膜の膜厚を第３の誘電体膜の端部から段差部とは反対側に向かって漸次厚くしたので、電界の集中が一層緩和されて、第１の誘電体薄膜の耐圧がより大きくなる。

また、第２の誘電体膜と第３の誘電体膜とを同じ材料で形成したので、第２の誘電体膜と第３の誘電体膜とを同一工程で形成できる。

本発明の薄膜コンデンサの図面を説明すると、図１は本発明の薄膜コンデンサの第１実施例に係る要部の断面図、図２はその１部をさらに拡大した断面図、図３は本発明の薄膜コンデンサの第２実施例に係る要部の断面図である。

次に、本発明の薄膜コンデンサの第１実施例に係る構成を図１及び図２に基づいて説明すると、アルミナ基板などからなる基板１の上面１ａには、銅や銅合金等の金属材からなる下部電極２が形成されている。

そして、この下部電極２は、平坦な上面２ａと、この上面２ａの両端に位置する端面２ｂ、２ｃと上面２ａと端面２ｂ、２ｃとの交叉部に位置するエッジ部２ｄを有する。

酸化シリコン等からなる第１の誘電体薄膜３は、下部電極２の上面２ａを覆う上方薄膜部３ａと、下部電極２の一方の端面２ｂを覆う側方薄膜部３ｂを有して、段差状（段差部）とな っている。
また、第１の誘電体薄膜３は、段差部と反対側において、下部電極２の上面２ａ上に位置する端面部３ｃを有しており、下部電極２の端面２ｃ側は、露出した状態となっている。

第２の誘電体膜４は、アクリル系樹脂やフッ素系樹脂等の絶縁材からなり、この第２の誘電体膜４は、第１の誘電体薄膜３の段差部である側方薄膜部３ｂ、及びこの側方薄膜部３ｂの近傍に位置する上方薄膜部３ａを覆うように形成されている。

そして、第２の誘電体膜４は、第１の誘電体薄膜３の上方薄膜部３ａ上に形成された上方膜部４ａと、第１の誘電体薄膜３の側方薄膜部３ｂを覆う側方膜部４ｂとを有する。上方膜部４ａの端部４ｄ近傍の上面は膜形成時のエッチング工程により若干湾曲している。なお、第２の誘電体膜４の誘電率は第１の誘電体薄膜３の誘電率よりも大きい。

また、第３の誘電体膜５は、アクリル系樹脂やフッ素系樹脂等の絶縁材からなり、この第３の誘電体膜５は、第１の誘電体薄膜３の端面部３ｃ及びこの端面部３ｃの近傍に位置する上方薄膜部３ａを覆うように形成されている。

そして、第３の誘電体膜５は、第１の誘電体薄膜３の上方薄膜部３ａ上に形成された上方膜部５ａと、第１の誘電体薄膜３の端面部３ｃを覆う側方薄部５ｂとを有する。即ち、第３の誘電体膜５は、下部電極２の上面２ａと第１の誘電体薄膜３上に形成された状態となっている。上方膜部５ａの端部５ｄ近傍の上面は膜形成時のエッチング工程により若干湾曲している。なお、第３の誘電体膜５の誘電率は第１の誘電体薄膜３の誘電率よりも大きい。そして、第２の誘電体膜４と第３の誘電体膜５は共に同じ材料構成され、同じ誘電率を有することが望ましい。

なお、第１の誘電体薄膜３は、下部電極２の端面２ｂ側と同様に、端面２ｃ側を覆うようにすると共に、第３の誘電体膜５は、第２の誘電体膜４と同様に、端面２ｃ側に位置する第１の誘電体薄膜３を覆うようにしてもよい。

銅や銅合金等の金属材からなる薄膜の上部電極６は、下部電極２と対向した状態で、第１の誘電体薄膜３上と、第２の誘電体膜４の上方膜部４ａと、側方膜部４ｂ上と、第３の誘電体膜５の上方膜部５ａ上、及び基板１の上面１ａ上に跨って形成されている。

この時、上部電極６の下面には、第１の誘電体薄膜３の上方薄膜部３ａ、第２、第３の誘電体膜４、５の上方薄膜部４ａ、５ａが位置する。

また、上部電極６は、下部電極２の端面２ｃ側を露出した状態で、下部電極２の端面２ｂ側を覆うように形成されたものとなっている。

なお、上記実施例において、第１の誘電体薄膜３は、下部電極２の端面２ｂ側と同様に、端面２ｃ側を覆うようにすると共に、第３の誘電体膜５は、第２の誘電体膜４と同様に、端面２ｃ側に位置する第１の誘電体薄膜３を覆うようにしてもよい。
この場合、上部電極６は、下部電極２の端面２ｃ側を覆うように形成されること勿論である。

このような構成を有する本発明の薄膜コンデンサは、上部電極６が、第１の誘電体薄膜３の上方薄膜部３ａの上面と第２の誘電体膜４の上方膜部４ａの上面とが交叉する部分（上方膜部４ａの端部４ｄ）においてエッジ状となるために、上部電極６と下部電極２との間に電圧を印加すると、ここに電界が集中するが、第２の誘電体膜４の誘電率が第１の誘電体薄膜３の誘電率よりも大きいので、電界の集中が緩和される。よって、この部分の近傍での両電極２、６間の銅イオンの移行（マイグレーション）が少なくなって、下部電極２と上部電極６間の耐圧が高くなると共に、下部電極２と上部電極６間の短絡が無くなる。

また、上部電極６が、第１の誘電体薄膜３の上方薄膜部３ａの上面と第３の誘電体膜５の上方膜部５ａの上面とが交叉する部分（上方膜部５ａの端部５ｄ）においてもエッジ状となるために、上部電極６と下部電極２との間に電圧を印加すると、ここに電界が集中するが、第３の誘電体膜５の誘電率が第１の誘電体薄膜３の誘電率よりも大きいので、電界の集中が緩和される。よって、この部分の近傍においても両電極２、６間の銅イオンの移行（マイグレーション）が少なくなって、下部電極２と上部電極６間の耐圧が高くなると共に、下部電極２と上部電極６間の短絡が無くなる。

図２は下部電極２のエッジ部２ｄ近傍における拡大断面図である。このエッジ部２ｄを含むその近傍にも電界が集中する。また、エッジ部２ｄにおいては、第１の誘電体薄膜３の薄膜形成の工程によって、第１の誘電体薄膜３の膜厚ｔ１は、図示のように上方薄膜部３ａの膜厚ｔよりも薄くなる傾向がある。そのため、この薄い部分の耐圧が低下するので、耐圧低下の改善のために段差部に第２の誘電体膜４を設けるようにしているのであるが、第２の誘電体膜４の誘電率をあまりにも大きくし過ぎると、エッジ部２ｄにおける第１の誘電体薄膜３の膜厚方向の耐圧が一層低下する。そのため、第２の誘電体膜４の誘電率には上限を設ける必要がある。

そこで、図２に示すように、第１の誘電体薄膜３の上方薄膜部３ａの膜厚をｔ、エッジ部２ｄにおける第１の誘電体薄膜３の膜厚をｔ１、エッジ部２ｄにおける第１の誘電体薄膜３の膜厚方向での第２の誘電体膜４の膜厚をｔ２とし、第１の誘電体薄膜３の誘電率をε１、第２の誘電体膜４の誘電率をε２とし、下部電極２と上部電極６との間に印加される電圧をＶ、膜厚ｔ１の第１の誘電体薄膜３に印加される電圧をＶ１、膜厚ｔ２の第２の誘電体膜４に印加される電圧をＶ２とすると、数式１及び数式２が成り立つ。

また、数式１を数式２に代入することで数式３が得られる。

数式３は膜厚ｔ１の第１の誘電体薄膜３の電界強度を示し、この値が上方薄膜部３ａにおける電界強度Ｖ／ｔ以下になればよい。即ち、数式４を満足すればよいことになる。

よって、第２の誘電体膜４の誘電率ε２は数式５で与えられる。

即ち、第２の誘電体膜４の誘電率ε２は第１の誘電体薄膜３の誘電率ε１以上であって、且つ、数式５を満足するように設定すればよいことになる。

なお、第２の実施例を図３に示すように、第２の誘電体膜４の上方膜部４ａに、その端部４ｄから側方膜部４ｂに向かって膜厚を漸次厚くして傾斜面４ｃを設け、第３の誘電体膜５の上方膜部５ａにも、その端部５ｄから側方膜部５ｂに向かって膜厚を漸次厚くして傾斜するように傾斜面５ｃを設けると、それぞれ端部４ｄ、５ｄ近傍の上部電極６のエッジ部での電界集中が一層緩和される。

その結果、上部電極６にプラス電圧を印加すると共に、下部電極２にマイナス電圧を印加して、長時間負荷テストを行うと、上方膜部４ａ、５ａの端部を含むその近傍において、電界強度の集中が緩和され、上方膜部４ａ、５ａの端部を含むその近傍に位置する第１の誘電体薄膜３の上方薄膜部３ａには、上部電極６からの銅イオンの移行（マイグレーション）が少なくなって、下部電極２と上部電極６間の耐圧が高くなると共に、下部電極２と上部電極６間の短絡が無くなる。

本発明の薄膜コンデンサの第１実施例に係る要部の断面図である。 本発明の薄膜コンデンサの第１実施例に係る要部の拡大断面図である。 本発明の薄膜コンデンサの第２実施例に係る要部の断面図である。 従来の薄膜コンデンサに係る要部の断面図である。

符号の説明

１：基板
１ａ：上面
２：下部電極
２ａ：上面
２ｂ、２ｃ：端面
２ｄ：エッジ部
３：第１の誘電体薄膜
３ａ：上方薄膜部
３ｂ：側方薄膜部
３ｃ：端面部
４：第２の誘電体膜
４ａ：上方膜部
４ｂ：側方膜部
４ｃ：傾斜面
４ｄ：端部
５：第３の誘電体膜
５ａ：上方膜部
５ｂ：側方膜部
５ｃ、傾斜面
５ｄ：端部
６：上部電極

Claims (6)

1. 基板上に設けられた下部電極と、この下部電極の上面と前記下部電極の少なくとも１つの端面とに跨って形成された第１の誘電体薄膜と、この第１の誘電体薄膜の段差部を覆うように、前記第１の誘電体薄膜上に形成された第２の誘電体膜と、前記下部電極に対向した状態で前記第１の誘電体薄膜上と前記第２の誘電体膜上に形成された上部電極とを備え、前記第２の誘電体膜の誘電率を前記第１の誘電体薄膜の誘電率よりも高くしたことを特徴とする
2. 前記第１の誘電体薄膜は、前記下部電極の前記上面に形成された上方薄膜部と、前記下部電極の前記端面に形成された側方薄膜部を有し、前記上方薄膜部と前記側方薄膜部とによって形成されるエッジ部における前記第１の誘電体薄膜の膜厚は前記上方薄膜部の膜厚よりも薄く形成されており、前記第１の誘電体薄膜の誘電率をε１、前記上方薄膜部の膜厚をｔ、前記エッジ部における前記第１の誘電体薄膜の膜厚をｔ１、前記エッジ部に対応する前記第２の誘電体膜の膜厚をｔ２とした場合、前記第２の誘電体膜の誘電率ε２を次式を満足する値にしたことを特徴とする請求項１に記載の薄膜コンデンサ。
   ε１＜ε２＜ｔ２×ε１／（ｔ−ｔ１）
3. 前記第２の誘電体膜は、前記第１の誘電体薄膜の前記上方薄膜部に位置する上方膜部と、前記第１の誘電体薄膜の前記側方薄膜部に位置する側方膜部を有し、前記上方膜部の膜厚を前記上方膜部の端部から前記側方膜部側に向かって漸次厚くしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜コンデンサ。
4. 前記段差部とは反対側の前記上方薄膜部上に第３の誘電体膜を形成すると共に、前記上部電極を前記上方薄膜部上と前記第３の誘電体膜上とに形成し、前記第３の誘電体膜の誘電率を前記第１の誘電体薄膜の誘電率よりも大きくしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の薄膜コンデンサ。
5. 前記第３の誘電体膜の膜厚を前記第３の誘電体膜の端部から前記段差部とは反対側に向かって漸次厚くしたことを特徴とする請求項４に記載の薄膜コンデンサ。
6. 前記第２の誘電体膜と前記第３の誘電体膜とを同じ材料で形成したことを特徴とする請求項４又は５に記載の薄膜コンデンサ。
   

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