JP2006222390A - Capacitor, manufacturing method therefor, and filter using same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、薄膜誘電体層を有するキャパシタ及びその製造方法、それを用いたフィルタに関する。 The present invention relates to a capacitor having a thin film dielectric layer, a manufacturing method thereof, and a filter using the same.
従来、この技術の分野におけるキャパシタを構成する誘電体層は、例えば、下記特許文献1に開示されている。この公報には、キャパシタの誘電体層として機能する絶縁膜に窒化ケイ素(Si3N4)を用いることが開示されている。このようなSi3N4に代表される金属窒化物は、誘電率が高い点で、キャパシタの誘電体層に適している。そのため、この金属窒化物によって誘電体層を構成することで、従来から多用されているSiO2等の金属酸化物で誘電体層を構成する場合に比べ、キャパシタの静電容量の増大を図ることができる。
しかしながら、この金属窒化物層は、一般に、金属酸化物層に比べて成膜時に生じる膜応力が大きいことが知られている。そのため、下部電極の表面に誘電体層を成膜した際、誘電体層が下部電極と十分に密着せずに、後段のアニール処理や超音波洗浄等において誘電体層が下部電極から剥離することがあった。 However, it is known that this metal nitride layer generally has a larger film stress generated during film formation than the metal oxide layer. Therefore, when a dielectric layer is formed on the surface of the lower electrode, the dielectric layer is not sufficiently adhered to the lower electrode, and the dielectric layer is peeled off from the lower electrode in subsequent annealing treatment, ultrasonic cleaning, etc. was there.
そこで、本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、静電容量の増大を図りつつ、誘電体層と下部電極との密着性の向上が図られたキャパシタ及びその製法、それを用いたフィルタを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problem, and a capacitor in which the adhesion between the dielectric layer and the lower electrode is improved while increasing the capacitance, and a manufacturing method thereof, and An object of the present invention is to provide a filter using the.
本発明に係るキャパシタは、下部電極と、下部電極に成膜された金属酸化物層と金属酸化物層上に成膜された金属窒化物層とを有する誘電体層と、誘電体層上に形成された上部電極とを備えることを特徴とする。 A capacitor according to the present invention includes a dielectric layer having a lower electrode, a metal oxide layer formed on the lower electrode, and a metal nitride layer formed on the metal oxide layer, and a dielectric layer on the dielectric layer. And an upper electrode formed.
このキャパシタにおいては、下部電極に誘電体層の金属酸化物層が成膜されている。そして、この金属酸化物層上に金属窒化物層が成膜されている。このように下部電極と金属窒化物層との間に金属酸化物層を介在させると、従来のキャパシタのように下部電極に直接金属窒化物層を成膜した場合に比べ、下部電極と金属窒化物層とが堅固に密着する。すなわち、本発明に係るキャパシタは、誘電体層が高い誘電率を有する金属窒化物層を備えているため大きな静電容量を有しており、且つ、従来のキャパシタに比べて誘電体層と下部電極との間の密着性が向上している。 In this capacitor, a metal oxide layer as a dielectric layer is formed on the lower electrode. A metal nitride layer is formed on the metal oxide layer. When the metal oxide layer is interposed between the lower electrode and the metal nitride layer in this manner, the lower electrode and the metal nitride are compared with the case where the metal nitride layer is directly formed on the lower electrode as in the conventional capacitor. The material layer adheres firmly. That is, the capacitor according to the present invention has a large capacitance because the dielectric layer includes a metal nitride layer having a high dielectric constant, and has a lower dielectric layer and lower portion than the conventional capacitor. The adhesion between the electrodes is improved.
また、金属酸化物層を構成する金属と金属窒化物層を構成する金属とが同一であることが好ましい。この場合、例えば金属酸化物層及び金属窒化物層をスパッタ成膜する場合、一つの金属ターゲットのみでこれらの層を成膜できるため、キャパシタを作製する際の手間と時間が削減される。 Moreover, it is preferable that the metal which comprises a metal oxide layer, and the metal which comprises a metal nitride layer are the same. In this case, for example, when a metal oxide layer and a metal nitride layer are formed by sputtering, these layers can be formed by using only one metal target, so that labor and time for manufacturing a capacitor can be reduced.
また、金属酸化物層及び金属窒化物層を構成する金属がSi又はAlであることが好ましい。この場合、金属の入手が容易な上、実用的な素子特性を得ることができる。 Moreover, it is preferable that the metal which comprises a metal oxide layer and a metal nitride layer is Si or Al. In this case, practical element characteristics can be obtained while the metal is easily available.
また、下部電極の構成材料が、Cu、Ag、Ni、W、Mo、Ti、Cr、Alからなる群の中の少なくとも1種の材料を含むことが好ましい。この場合、下部電極と金属窒化物層との間に介在する金属酸化物層によって、下部電極は金属窒化物層と堅固に密着する。 Moreover, it is preferable that the constituent material of a lower electrode contains at least 1 type of material in the group which consists of Cu, Ag, Ni, W, Mo, Ti, Cr, Al. In this case, the lower electrode is firmly adhered to the metal nitride layer by the metal oxide layer interposed between the lower electrode and the metal nitride layer.
本発明に係るフィルタは、下部電極と、下部電極に成膜された金属酸化物層と金属酸化物層上に成膜された金属窒化物層とを有する誘電体層と、誘電体層上に形成された上部電極とを備えるキャパシタを備えることを特徴とする。 The filter according to the present invention includes a dielectric layer having a lower electrode, a metal oxide layer formed on the lower electrode, and a metal nitride layer formed on the metal oxide layer, and a dielectric layer on the dielectric layer. A capacitor including the formed upper electrode is provided.
このフィルタにおいては、キャパシタの下部電極に誘電体層の金属酸化物層が成膜されている。そして、この金属酸化物層上に金属窒化物層が成膜されている。このように下部電極と金属窒化物層との間に金属酸化物層を介在させると、従来のキャパシタのように下部電極に直接金属窒化物層を成膜した場合に比べ、下部電極と金属窒化物層とが堅固に密着する。すなわち、本発明のフィルタのキャパシタは、誘電体層が高い誘電率を有する金属窒化物層を備えているため大きな静電容量を有しており、且つ、従来のキャパシタに比べて誘電体層と下部電極との間の密着性が向上している。 In this filter, a metal oxide layer as a dielectric layer is formed on the lower electrode of the capacitor. A metal nitride layer is formed on the metal oxide layer. When the metal oxide layer is interposed between the lower electrode and the metal nitride layer in this manner, the lower electrode and the metal nitride are compared with the case where the metal nitride layer is directly formed on the lower electrode as in the conventional capacitor. The material layer adheres firmly. That is, the capacitor of the filter of the present invention has a large capacitance because the dielectric layer includes a metal nitride layer having a high dielectric constant, and has a dielectric layer that is larger than that of a conventional capacitor. Adhesion with the lower electrode is improved.
本発明に係るキャパシタの製造方法は、下部電極に金属酸化物層を成膜すると共に、金属酸化物層上に金属窒化物層を成膜して、金属酸化物層及び金属窒化物層を有する誘電体層を形成するステップと、誘電体層上に上部電極を形成するステップとを備えることを特徴とする。 The method for manufacturing a capacitor according to the present invention includes forming a metal oxide layer on the lower electrode, forming a metal nitride layer on the metal oxide layer, and having the metal oxide layer and the metal nitride layer. The method includes a step of forming a dielectric layer and a step of forming an upper electrode on the dielectric layer.
このキャパシタの製造方法においては、下部電極に誘電体層の金属酸化物層を成膜し、この金属酸化物層上に金属窒化物層を成膜する。このように下部電極と金属窒化物層との間に金属酸化物層を介在させると、従来のキャパシタのように下部電極に直接金属窒化物層を成膜した場合に比べ、下部電極と金属窒化物層とが堅固に密着する。すなわち、本発明に係るキャパシタの製造方法を用いると、誘電体層が高い誘電率を有する金属窒化物層を備える静電容量の大きなキャパシタであって、従来のキャパシタに比べて誘電体層と下部電極との間の密着性が高いキャパシタを得ることができる。 In this capacitor manufacturing method, a metal oxide layer as a dielectric layer is formed on the lower electrode, and a metal nitride layer is formed on the metal oxide layer. When the metal oxide layer is interposed between the lower electrode and the metal nitride layer in this manner, the lower electrode and the metal nitride are compared with the case where the metal nitride layer is directly formed on the lower electrode as in the conventional capacitor. The material layer adheres firmly. That is, when the capacitor manufacturing method according to the present invention is used, the dielectric layer is a large-capacitance capacitor including a metal nitride layer having a high dielectric constant, and the dielectric layer and the lower portion of the capacitor are lower than the conventional capacitor. A capacitor having high adhesion between the electrodes can be obtained.
また、金属酸化物層及び金属窒化物層をスパッタによって成膜し、金属酸化物層のスパッタ成膜の際には、酸素ガスを含むガス雰囲気中において、金属ターゲットをスパッタし、金属窒化物層のスパッタ成膜の際には、金属酸化物層のスパッタ成膜に用いた金属ターゲットを、窒素ガスを含むガス雰囲気中においてスパッタすることが好ましい。この場合、一つの金属ターゲットのみで金属酸化物層及び金属窒化物層が成膜されるため、キャパシタを作製する際の手間と時間が削減される。 In addition, a metal oxide layer and a metal nitride layer are formed by sputtering, and when the metal oxide layer is formed by sputtering, a metal target is sputtered in a gas atmosphere containing oxygen gas to form a metal nitride layer. During the sputtering film formation, it is preferable that the metal target used for the sputtering film formation of the metal oxide layer is sputtered in a gas atmosphere containing nitrogen gas. In this case, since the metal oxide layer and the metal nitride layer are formed with only one metal target, labor and time for manufacturing the capacitor can be reduced.
本発明によれば、静電容量の増大を図りつつ、誘電体層と下部電極との密着性の向上が図られたキャパシタ及びその製法、それを用いたフィルタが提供される。 According to the present invention, there are provided a capacitor in which the adhesion between the dielectric layer and the lower electrode is improved while increasing the capacitance, a method for manufacturing the capacitor, and a filter using the capacitor.
以下、添付図面を参照して本発明に係るキャパシタ及びその製法、それを用いたフィルタを実施するにあたり最良と思われる形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a capacitor, a method for manufacturing the same, and a form that is considered to be the best for carrying out a filter using the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the same or equivalent element, and the description is abbreviate | omitted when description overlaps.
図1は、本発明の実施形態にかかるキャパシタを示した概略断面図である。このキャパシタ10は、基板12と、キャパシタ10に電圧を印加するための一対の電極対14A,14Bと、電極対14A,14Bの間に介在する誘電体層16とを備えた薄膜積層構造を有している。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a capacitor according to an embodiment of the present invention. The
基板12は、Al2O3で構成されており、適宜、平坦性を向上させるために表面をAl2O3薄膜で被覆してもよい。なお、基板12の構成材料は、例えばSi等に変更可能である。
The
一対の電極対14A,14Bのうち、基板12に近いほうの電極(以下、下部電極と称す。)14Aは、基板12の表面12aにスパッタ成膜されたCuシード層18Aを介してメッキ形成されたものであり、Cuで構成されている。
Of the pair of
この下部電極14A上には、誘電体層16を構成するSiO2層20(厚さ:10nm)及びSi3N4層22(厚さ:100nm)が順次積層されている。SiO2層20は、非晶質(アモルファス)のSiO2で構成されており、Si3N4層22も非晶質のSi3N4で構成されている。なお、SiO2層20の厚さ(D1)は、10nmに限らず、5nm≦D1≦15nmの範囲で適宜変更してもよい。SiO2層20の厚さD1が5nmより薄い場合にはSiO2層20による絶縁を確実におこなうことが難しくなり、厚さD1が15nmより厚い場合には実用的なレベルのキャパシタ特性が得られない。また、Si3N4層22の厚さ(D2)も、100nmに限らず、適宜変更してもよい。
On this
そして、誘電体層16上に、電極対14A,14Bのうちの基板12から遠いほうの電極(以下、上部電極と称す。)14Bが形成されている。この上部電極14Bは、誘電体層16上にスパッタ成膜されたAuシード層18Bを介してメッキ形成されたものであり、Auで構成されている。
On the
次に、キャパシタ10を作製する際に用いるスパッタ装置について、図2を参照しつつ説明する。この図2は、本発明の実施形態に係るスパッタ装置を示した一部切欠斜視図である。このスパッタ装置30は、高周波スパッタ方式の成膜装置である。
Next, a sputtering apparatus used when manufacturing the
スパッタ装置30は、チャンバ32と、チャンバ32内における下端部近傍に設けられた基板ホルダ34と、チャンバ32内における上端部近傍に設けられたターゲット支持板36とを備えている。
The
ターゲット支持板36には、ターゲットホルダ38が固定されており、このターゲットホルダ38には金属ターゲット40が取り付けられている。この金属ターゲット40にはSiが用いられる。なお、この金属ターゲット40に対面するように、図示しないシャッタが設けられており、必要に応じて開閉されるようになっている。
A
基板ホルダ34は円板状であり、その上面34aに、下部電極14Aが形成された基板12が載置される。基板12はターゲット支持板36に対面しており、ターゲット支持板36に取り付けられた金属ターゲット40をスパッタすることで、基板12の下部電極14A上に誘電体層16が成膜される。
The
また、チャンバ32には、配管42を介して真空ポンプ44が取り付けられており、配管42のバルブ42aを開閉することで、適宜、チャンバ32内を真空状態にすることができる。さらに、チャンバ32には、チャンバ32内部に雰囲気ガスを導入する3つのガス管46A,46B,46Cと、排気に用いられる排気管48が取り付けられている。
A
それぞれのガス管46A,46B,46Cからは、窒素ガス、酸素ガス及びアルゴンガスが導入され、その途中に設けられた弁(例えば、電磁弁)50A,50B,50Cによって流量がコントロールされる。
Nitrogen gas, oxygen gas, and argon gas are introduced from the
そして、このスパッタ装置30においては、3つのガス管46A,46B,46Cから所定のガスを選択的に導入してチャンバ内雰囲気を調整した状態で、ターゲット支持板36と基板ホルダ34との間に高周波電圧を印加して、金属ターゲット40のスパッタがおこなわれる。より詳しく説明すると、チャンバ32内に酸素ガス及びアルゴンガスを導入してスパッタをおこなうと、基板12上にSiO2層が成膜され、チャンバ32内に窒素ガス及びアルゴンガスを導入してスパッタをおこなうと、基板12上にSi3N4層が成膜される。このように、金属ターゲット40を変えることなく(すなわち、1つの金属ターゲットを用いて)、チャンバ32内の雰囲気ガスを変更するだけで、SiO2層及びSi3N4層の両層を成膜することができるため、このスパッタ装置30を用いることで上述した誘電体層16を容易に形成することができる。
In the
次に、上述したキャパシタ10を作製する手順について、図3を参照しつつ説明する。この図3の(a)〜(e)は、キャパシタ10を作製する手順を順次示した図である。
Next, a procedure for manufacturing the above-described
キャパシタ10を作製する際は、まず、図3(a)に示す基板12を準備し、この基板12の上面12aにCuシード層18Aをスパッタ成膜すると共に、このCuシード層18A上にCuをメッキ形成して下部電極14Aを形成する(図3(b)参照)。なお、この下部電極14Aには、必要に応じて化学機械的研磨(CMP)を施してもよい。
When manufacturing the
次に、この下部電極14Aが形成された基板12を、上述したスパッタ装置30の基板ホルダ34上に装填し、チャンバ32内をガス管46B,46Cから導入した酸素ガスとアルゴンガスとの混合ガス雰囲気にした後、金属ターゲット40のスパッタをおこなって下部電極14Aの上面にSiO2層20を成膜する(図3(c)参照)。SiO2層20の成膜後、上記混合ガスを排気管48から排気し、今度はチャンバ32内をガス管46A,46Cから導入した窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガス雰囲気にした後、金属ターゲット40のスパッタをおこなってSiO2層20の上面にSi3N4層22を成膜する(図3(d)参照)。
Next, the
以上のようにして、SiO2層20とSi3N4層22とからなる誘電体層16を形成した後、基板12をスパッタ装置30から取り出し、Si3N4層22の上面にAuシード層18Bをスパッタ成膜すると共に、このAuシード層18B上に上部電極14Bをメッキ形成して、キャパシタ10の作製が完了する(図3(e)参照)。
After forming the
以上で説明したように、キャパシタ10の誘電体層16の一部がSi3N4層22で構成されている。このようなSi3N4層22等の金属窒化物層は、SiO2層20等の金属窒化物層に比べてキャパシタの静電容量を大きくすることが一般に知られている。そのため、この誘電体層16は、金属酸化物層だけで構成されている誘電体層に比べて大きな静電容量を有する。
As described above, a part of the
そして、発明者らは、膜応力の大きいこの誘電体層16のSi3N4層22を下部電極14A上に直接成膜する際に、より膜応力に小さい金属酸化物層であるSiO2層20を介在させることで、Si3N4層22を下部電極14A上に直接成膜する場合に比べて、Si3N4層22と下部電極14Aとの間の密着性が向上することを新たに見出した。すなわち、誘電体層16のSi3N4層22の成膜に先立ち、誘電体層16の一部を構成するSiO2層20を下部電極14A上に成膜することで、誘電体層16と下部電極14Aとが堅固に密着する。従って、このキャパシタ10は、誘電体層16の成膜後におこなわれるアニール処理や超音波洗浄等において、誘電体層16が下部電極14Aから剥離する事態が有意に抑制されている。
Then, when the inventors directly formed the Si 3 N 4 layer 22 of the
また、誘電体層16のSiO2層20とSi3N4層22とはいずれも構成金属が同一のSiとなっている。上述したスパッタ装置30を用いてSiO2層20及びSi3N4層22をスパッタ成膜する際、一つの金属ターゲット40のみでこれらの層を成膜できる。つまり、酸素ガスとアルゴンガスとの混合ガス雰囲気中で金属ターゲット40をスパッタすればSiO2層20が成膜され、そのSiO2層20のスパッタ成膜に用いた金属ターゲット40を窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガス雰囲気中でスパッタすればSi3N4層22が成膜される。そのため、各膜20,22の成膜のたびに金属ターゲットを変更する必要がなく、キャパシタ10を作製する際の手間と時間が削減される。なお、金属ターゲット40は、金属の入手が容易な上、実用的な素子特性を得ることができる点で、Si以外にAlでもよい。金属ターゲット40をAlにした場合には、SiO2層20の代わりにAl2O3層が成膜され、Si3N4層22の代わりにAlN層が成膜されたキャパシタが得られる。
Further, the SiO 2 layer 20 and the Si 3 N 4 layer 22 of the
ここで、下部電極14Aは、酸化しやすいCuで構成されているため、下部電極14AとSi3N4層22との密着性が低下しやすくなっているが、下部電極14AとSi3N4層22との間にSiO2層20を介在させることで、有効に誘電体層16と下部電極14Aとの間の密着性向上が図られている。換言すると、下部電極14Aは、下部電極14AとSi3N4層22との間に介在するSiO2層20によって、Si3N4層22と堅固に密着している。なお、下部電極14Aの構成材料は、Cu同様に酸化しやすい材料であれば、Cu、Ag、Ni、W、Mo、Ti、Cr、Alからなる群の中の少なくとも1種の材料を含むものであってもよい。
Here, since the
なお、以上で説明したキャパシタ10は、例えば、図4に示すような種々のフィルタに適用することができる。なお、図4はキャパシタ10が適用されたフィルタの例を示した図であり、(a)はローパスフィルタ、(b)はハイパスフィルタを示している。つまり、図4(a)に示したローパスフィルタ60A及び図4(b)に示したハイパスフィルタ60Bは、いずれもインダクタ(L)とキャパシタ(C)とレジスタ(R)を1個ずつ備えており、そのキャパシタとして上述したキャパシタ10が用いられている。つまり、このようなフィルタ60A,60Bは、キャパシタ10を採用することで大きな静電容量を具備し、そのキャパシタ10においては誘電体層16と下部電極14Aとが堅固に密着している。なお、図4では簡単な構成のフィルタを示したが、キャパシタ10は、L、C及びRを1つ又は複数備えた様々なタイプのフィルタに適用することができる。
The
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、キャパシタは、必ずしも基板を備える必要はなく、適宜除去してもよい。また、誘電体層の成膜に用いるスパッタ装置は、高周波スパッタ方式のものに限らず、ECRスパッタ方式等の公知の方式のスパッタ装置を用いることができる。 The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible. For example, the capacitor does not necessarily include a substrate and may be removed as appropriate. The sputtering apparatus used for forming the dielectric layer is not limited to a high-frequency sputtering system, and a known sputtering system such as an ECR sputtering system can be used.
10…キャパシタ、12…基板、14A…下部電極、14B…上部電極、16…誘電体層、20…SiO2層、22…Si3N4層、30…スパッタ装置、40…金属ターゲット、60A,60B…フィルタ。
10 ... capacitor, 12 ... substrate, 14A ... lower electrode, 14B ... upper electrode, 16 ... dielectric layer, 20 ... SiO 2 layer, 22 ... Si 3 N 4 layer, 30 ... sputtering apparatus, 40 ... metal target, 60A, 60B: Filter.
Claims (7)
前記下部電極に成膜された金属酸化物層と前記金属酸化物層上に成膜された金属窒化物層とを有する誘電体層と、
前記誘電体層上に形成された上部電極と
を備える、キャパシタ。 A lower electrode;
A dielectric layer having a metal oxide layer formed on the lower electrode and a metal nitride layer formed on the metal oxide layer;
A capacitor comprising an upper electrode formed on the dielectric layer.
前記誘電体層上に上部電極を形成するステップと
を備える、キャパシタの製造方法。 Forming a metal oxide layer on the lower electrode and forming a metal nitride layer on the metal oxide layer to form a dielectric layer having the metal oxide layer and the metal nitride layer; When,
Forming a top electrode on the dielectric layer.
前記金属酸化物層のスパッタ成膜の際には、酸素ガスを含むガス雰囲気中において、金属ターゲットをスパッタし、
前記金属窒化物層のスパッタ成膜の際には、前記金属酸化物層のスパッタ成膜に用いた前記金属ターゲットを、窒素ガスを含むガス雰囲気中においてスパッタする、請求項6に記載のキャパシタの製造方法。
Forming the metal oxide layer and the metal nitride layer by sputtering;
During the sputter deposition of the metal oxide layer, a metal target is sputtered in a gas atmosphere containing oxygen gas,
7. The capacitor according to claim 6, wherein when the metal nitride layer is formed by sputtering, the metal target used for the sputtering formation of the metal oxide layer is sputtered in a gas atmosphere containing nitrogen gas. 8. Production method.
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