JP2007179794A - Thin-film dielectric and thin-film capacitor element - Google Patents

Thin-film dielectric and thin-film capacitor element Download PDF

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賢治 堀野
Kiyoshi Uchida
清志 内田
Hitoshi Saida
仁 齊田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin-film dielectric with high specific dielectric constant even under high-temperature environment, with excellent leak characteristics, and easy to manufacture with due consideration that there is long since a strong need for a thin-film capacitor element with sufficient leak characteristics without degradation of leak characteristics even at high ambient temperature. <P>SOLUTION: The thin-film dielectric contains strontium titanate calcium expressed in a composite formula: (Sr<SB>1-x</SB>Ca<SB>x</SB>)<SB>y</SB>TiO<SB>3</SB>. In the formula, x, y satisfy: 0.2≤x≤0.6 and 0.97≤y≤1.10. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、薄膜誘電体及び薄膜コンデンサ素子に関するものである。特に、高比誘電率と低リーク電流を実現できる薄膜誘電体及びこの薄膜誘電体を利用した薄膜コンデンサ素子に関する。   The present invention relates to a thin film dielectric and a thin film capacitor element. In particular, the present invention relates to a thin film dielectric capable of realizing a high relative dielectric constant and a low leakage current, and a thin film capacitor element using the thin film dielectric.

近年、電子機器の小型化、高性能化に伴い、電子回路の高密度化、高集積化が進み、各種電子回路に重要な機能を果たす回路素子であるコンデンサ素子にも一層の小型化が望まれている。   In recent years, along with the downsizing and high performance of electronic devices, the density and integration of electronic circuits have increased, and capacitor elements, which are circuit elements that perform important functions in various electronic circuits, are expected to be further downsized. It is rare.

一方、集積回路の動作周波数が高周波化するにつれて、クロックの立ち上がり時間が短くなっている。更に、装置の低消費電力化を目指して、電源の低電圧化が進められている。このような条件の下では、集積回路の負荷が急激に変動したときに、集積回路の駆動電圧が不安定になりやすくなる。集積回路を正常に動作させるためには、駆動電圧を安定化する必要がある。   On the other hand, as the operating frequency of the integrated circuit increases, the rise time of the clock becomes shorter. Furthermore, lowering the voltage of the power source has been promoted with the aim of reducing the power consumption of the device. Under such conditions, when the load on the integrated circuit fluctuates rapidly, the driving voltage of the integrated circuit tends to become unstable. In order to operate the integrated circuit normally, it is necessary to stabilize the drive voltage.

このような目的のため、集積回路の電圧電源ラインとグランドラインとの間にデカップリング用のコンデンサを配置し、駆動電圧を安定化する方法が採られている。デカップリング用のコンデンサを有効に機能させるには、集積回路とデカップリング用のコンデンサとの間の等価直列インダクタンスの低下及びデカップリング用のコンデンサ自体の大容量化が必要である。   For this purpose, a decoupling capacitor is disposed between the voltage power supply line and the ground line of the integrated circuit to stabilize the drive voltage. In order for the decoupling capacitor to function effectively, it is necessary to reduce the equivalent series inductance between the integrated circuit and the decoupling capacitor and to increase the capacity of the decoupling capacitor itself.

集積回路とデカップリング用のコンデンサとの間の等価直列インダクタンスを低下させるためには、デカップリング用のコンデンサは、できる限り集積回路の近くに配置し、集積回路とデカップリング用のコンデンサとの間の配線の低インダクタンス化を図ることが有効である。   To reduce the equivalent series inductance between the integrated circuit and the decoupling capacitor, place the decoupling capacitor as close to the integrated circuit as possible, and place it between the integrated circuit and the decoupling capacitor. It is effective to reduce the inductance of the wiring.

この目的のために、実装基板と、その実装基板に搭載される半導体チップとの間にインターポーザーを配置し、当該インターポーザーに貫通ビア電極(スルーホール電極)を設け、その表面上にデカップリング用のコンデンサを形成した半導体装置が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。この半導体装置では、インターポーザーに用いられる絶縁体には、シリコン、ガラスを使用し、シリコンまたはガラスの基板上に薄膜技術を用いて薄膜コンデンサ素子を形成している。   For this purpose, an interposer is arranged between the mounting substrate and the semiconductor chip mounted on the mounting substrate, and a through via electrode (through-hole electrode) is provided on the interposer, and decoupling is performed on the surface. A semiconductor device in which a capacitor is formed is disclosed (for example, see Patent Document 1). In this semiconductor device, silicon or glass is used as an insulator used for an interposer, and a thin film capacitor element is formed on a silicon or glass substrate using thin film technology.

薄膜誘電体を用いた薄膜コンデンサ素子は、設計の自由度などから、前記要求を満たすデカップリング用のコンデンサとして、集積回路等に広く用いられてきた。従来、薄膜コンデンサ素子に用いられる材料としては、SiO、Siなどの材料が用いられているが、これらの材料では大きな比誘電率が得られない。比較的高い比誘電率をもつ材料として、(Ba,Sr)TiO、BaTiO、SrTiO等のペロブスカイト型酸化物が挙げられる。薄膜コンデンサ素子で大きい容量を得るためには、比誘電率の高い材料を用いる他に誘電体を薄層化することでも可能である。しかし、誘電体を薄層化すると、リーク特性が劣化することになる。 Thin film capacitor elements using thin film dielectrics have been widely used in integrated circuits and the like as decoupling capacitors that satisfy the above requirements from the viewpoint of design freedom and the like. Conventionally, materials such as SiO 2 and Si 3 N 4 have been used as materials used for thin film capacitor elements, but these materials cannot provide a large relative dielectric constant. Examples of the material having a relatively high dielectric constant include perovskite oxides such as (Ba, Sr) TiO 3 , BaTiO 3 , and SrTiO 3 . In order to obtain a large capacity with a thin film capacitor element, it is also possible to make the dielectric thin, in addition to using a material having a high relative dielectric constant. However, when the dielectric is thinned, the leak characteristics are deteriorated.

高い比誘電率の材料を用いてリーク特性を改善するために、電荷を蓄積する薄膜誘電体層と、この薄膜誘電体層を介して対向形成された1対の電極とを備えた薄膜コンデンサ素子であって、前記誘電体が一般式ABOで表わされるペロブスカイト構造からなり(Aはストロンチウム、バリウム、カルシウムのうち少なくとも1種、Bはチタン、ジルコニウムのうち少なくとも1種からなる)、かつバナジウム、ニオブ、タンタル、アンチモン、ビスマス、ランタン、セリウム、プラセオジュウム、ネオジュウム、ガドリニウム、又はホロミウムのうち少なくとも1種が0.05原子%以上、0.3原子%未満含まれる薄膜容量素子が提案されている(例えば、特許文献2参照。)。この特許文献2の実施例には、誘電体層の材料として、SrTiOにニオブを0.1原子%添加したもの、BaTiOにランタンを0.3原子%添加したもの、SrTiOにバナジウムを0.05原子%含むもの等が例示されており、概ね10−8A/cm程度のリーク特性が得られている。
特開2001−326305号公報 特開平6−112082号公報
A thin film capacitor element comprising a thin film dielectric layer for accumulating charges and a pair of electrodes formed opposite to each other through the thin film dielectric layer in order to improve leakage characteristics using a material having a high relative dielectric constant The dielectric has a perovskite structure represented by the general formula ABO 3 (A is at least one of strontium, barium, and calcium, B is at least one of titanium and zirconium), and vanadium, A thin film capacitor element in which at least one of niobium, tantalum, antimony, bismuth, lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, gadolinium, or holmium is contained at 0.05 atomic% or more and less than 0.3 atomic% has been proposed ( For example, see Patent Document 2.) In the examples of Patent Document 2, as materials for the dielectric layer, 0.1 atomic% of niobium is added to SrTiO 3 , 0.3 atomic% of lanthanum is added to BaTiO 3 , and vanadium is added to SrTiO 3. Examples include 0.05 atomic%, and a leak characteristic of about 10 −8 A / cm 2 is obtained.
JP 2001-326305 A Japanese Patent Laid-Open No. 6-112082

しかし、薄膜コンデンサ素子をデカップリングコンデンサとして用いる場合、必然的にLSI等の発熱する素子の近傍に形成することになるため、LSI等の発熱の影響により薄膜コンデンサ素子の温度は室温よりも高くなる。また、薄膜コンデンサ素子を車両用に用いた場合は、エンジン等の機械部品の発熱の影響により薄膜コンデンサ素子の温度は100℃以上の高温になる場合がある。したがって、周囲の温度が高くなってもリーク特性が劣化せず、100℃以上の高温環境でも十分なリーク特性を有する薄膜コンデンサ素子が求められる。   However, when a thin film capacitor element is used as a decoupling capacitor, it is inevitably formed in the vicinity of a heat generating element such as an LSI, so that the temperature of the thin film capacitor element becomes higher than room temperature due to the heat generated by the LSI or the like. . Further, when the thin film capacitor element is used for a vehicle, the temperature of the thin film capacitor element may be as high as 100 ° C. or more due to the influence of heat generated by mechanical parts such as an engine. Therefore, there is a demand for a thin film capacitor element that does not deteriorate the leak characteristics even when the ambient temperature becomes high and has sufficient leak characteristics even in a high temperature environment of 100 ° C. or higher.

そこで、本発明は、高温環境下でも比誘電率が高く、リーク特性が良好で、安定した特性の薄膜誘電体を提供することを目的とする。また、この薄膜誘電体を用いて、高容量かつ信頼性の高い薄膜コンデンサ素子を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a thin film dielectric having a high relative dielectric constant, good leakage characteristics, and stable characteristics even in a high temperature environment. Another object of the present invention is to provide a thin film capacitor element having a high capacity and high reliability by using this thin film dielectric.

上記課題を解決するために、発明者らは、組成式が(Sr1−xCaTiOで表記されるチタン酸ストロンチウムカルシウムにおいて原子数比に注目した。そして、鋭意開発したところ高温環境下でも良好なリーク特性を達成しうる原子数比を見出して、本発明を完成させた。具体的には、本発明に係る薄膜誘電体は、組成式が(Sr1−xCaTiOで表記されるチタン酸ストロンチウムカルシウムを含む薄膜誘電体であって、前記組成式の原子数比xを0.2≦x≦0.6とし且つ原子数比yを0.97≦y≦1.10としたことを特徴とする。原子数比x、yを上記の値とすることで、チタン酸ストロンチウムカルシウムを含む薄膜誘電体を高温環境下でも比誘電率が高く、リーク特性が良好な薄膜誘電体とすることができる。 In order to solve the above problems, the inventors focused attention on the atomic ratio in strontium calcium titanate whose composition formula is represented by (Sr 1-x Ca x ) y TiO 3 . As a result of extensive development, the inventors have found an atomic ratio that can achieve good leakage characteristics even in a high temperature environment, and have completed the present invention. Specifically, the thin film dielectric according to the present invention is a thin film dielectric containing strontium calcium titanate whose composition formula is represented by (Sr 1-x Ca x ) y TiO 3 , The number ratio x is 0.2 ≦ x ≦ 0.6, and the atomic number ratio y is 0.97 ≦ y ≦ 1.10. By setting the atomic number ratios x and y to the above values, a thin film dielectric containing strontium calcium titanate can be a thin film dielectric having a high relative dielectric constant and good leakage characteristics even in a high temperature environment.

上記薄膜誘電体において、前記薄膜誘電体に、さらにMn元素を含有させて前記チタン酸ストロンチウムカルシウムの組成式を(Sr1−xCa(Ti1−zMn)Oで表記したときの原子数比zを0<z≦0.05とすることが望ましい。チタン酸ストロンチウムカルシウムを含む薄膜誘電体にMn元素を含有させることにより、チタン酸ストロンチウムカルシウムを含む薄膜誘電体に耐還元性を付与すると共に焼結密度を高くすることができる。さらに、zを0<z≦0.05とすることにより、チタン酸ストロンチウムカルシウムを含む薄膜誘電体のリーク電流密度の低減効果を大きくすることができる。 In the thin film dielectric, the thin film dielectric further contains a Mn element, and the composition formula of the strontium calcium titanate is represented by (Sr 1-x Ca x ) y (Ti 1−z Mn z ) O 3 . It is desirable that the atomic number ratio z is 0 <z ≦ 0.05. By adding Mn element to the thin film dielectric containing strontium calcium titanate, the thin film dielectric containing strontium calcium titanate can be provided with reduction resistance and the sintering density can be increased. Further, by setting z to 0 <z ≦ 0.05, the effect of reducing the leakage current density of the thin film dielectric containing strontium calcium titanate can be increased.

また、上記薄膜誘電体において、前記薄膜誘電体の膜厚を30nm〜1000nmとすることが望ましい。膜厚を30nm〜1000nmとすることで、リーク電流密度の低減とコンデンサ容量の増大とを両立させることができる。   In the thin film dielectric, it is desirable that the thickness of the thin film dielectric is 30 nm to 1000 nm. By setting the film thickness to 30 nm to 1000 nm, both reduction in leakage current density and increase in capacitor capacity can be achieved.

また、上記薄膜誘電体において、前記薄膜誘電体は、25℃の条件で比誘電率が100以上である場合を含む。また、前記薄膜誘電体は、125℃の条件で比誘電率が100以上である場合を含む。比誘電率が100以上であることで、チタン酸ストロンチウムカルシウムを含む薄膜誘電体を信頼性の高い薄膜誘電体とすることができる。さらに、125℃の条件で比誘電率が100以上であることで、チタン酸ストロンチウムカルシウムを含む薄膜誘電体を高温環境下でも信頼性の高い薄膜誘電体とすることができる。   The thin film dielectric includes a case where the thin film dielectric has a relative dielectric constant of 100 or more at 25 ° C. The thin film dielectric includes a case where the relative dielectric constant is 100 or more under the condition of 125 ° C. When the relative dielectric constant is 100 or more, a thin film dielectric containing strontium calcium titanate can be a highly reliable thin film dielectric. Furthermore, when the relative dielectric constant is 100 or more under the condition of 125 ° C., the thin film dielectric containing strontium calcium titanate can be a highly reliable thin film dielectric even in a high temperature environment.

また、上記薄膜誘電体において、前記薄膜誘電体は、25℃で印加電圧50kV/cmの条件でリーク電流密度が10−6A/cm以下である場合を含む。また、前記薄膜誘電体は、125℃で印加電圧50kV/cmの条件でリーク電流密度が10−6A/cm以下である場合を含む。リーク電流密度が10−6A/cm以下であることで、チタン酸ストロンチウムカルシウムを含む薄膜誘電体を信頼性の高い薄膜誘電体とすることができる。さらに、125℃の条件でリーク電流密度が10−6A/cm以下であることで、チタン酸ストロンチウムカルシウムを含む薄膜誘電体を高温環境下でも信頼性の高い薄膜誘電体とすることができる。 In the thin film dielectric, the thin film dielectric includes a case where the leakage current density is 10 −6 A / cm 2 or less under the condition of an applied voltage of 50 kV / cm at 25 ° C. The thin film dielectric includes a case where the leakage current density is 10 −6 A / cm 2 or less at 125 ° C. under an applied voltage of 50 kV / cm. When the leakage current density is 10 −6 A / cm 2 or less, a thin film dielectric containing strontium calcium titanate can be a highly reliable thin film dielectric. Furthermore, when the leakage current density is 10 −6 A / cm 2 or less under the condition of 125 ° C., a thin film dielectric containing strontium calcium titanate can be made a highly reliable thin film dielectric even in a high temperature environment. .

また、本発明に係る薄膜コンデンサ素子は、前記薄膜誘電体からなる層と、該薄膜誘電体からなる層を挟持する一対の電極と、を有することを特徴とする。このような薄膜コンデンサ素子は、高温環境下でも容量を大きくすることができる。また、高温環境下でもリーク電流を小さくすることができる。   The thin film capacitor element according to the present invention includes a layer made of the thin film dielectric and a pair of electrodes that sandwich the layer made of the thin film dielectric. Such a thin film capacitor element can increase the capacity even in a high temperature environment. Further, the leakage current can be reduced even in a high temperature environment.

以上の通り、本発明によると、高温環境下でも高比誘電率でリーク特性の良好な安定した特性の薄膜誘電体を提供することができる。また、高温環境下でも高容量かつ信頼性の高い薄膜コンデンサ素子を提供することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a thin film dielectric having a stable characteristic with a high relative dielectric constant and good leakage characteristics even under a high temperature environment. In addition, a thin film capacitor element having a high capacity and high reliability can be provided even under a high temperature environment.

以下に、一層の薄膜誘電体からなる層を有する薄膜コンデンサ素子について、図1を参照しつつ説明する。図1には、本発明に係る薄膜コンデンサ素子の概略断面図を示す。図1(4)に示す薄膜コンデンサ素子30は、基板としてのSi基板12と、熱酸化膜14と、一対の電極の一方である下部電極16と、薄膜誘電体からなる層18と、一対の電極の他方である上部電極20と、を有する。   Hereinafter, a thin film capacitor element having a single layer of a thin film dielectric will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a thin film capacitor element according to the present invention. A thin film capacitor element 30 shown in FIG. 1 (4) includes a Si substrate 12 as a substrate, a thermal oxide film 14, a lower electrode 16 which is one of a pair of electrodes, a layer 18 made of a thin film dielectric, and a pair of And an upper electrode 20 which is the other of the electrodes.

基板としては、シリコン単結晶基板、或いはアルミナ(Al)、マグシア(MgO)、フォルステライト(2MgO・SiO)、ステアタイト(MgO・SiO)、ムライト(3Al・2SiO)、ベリリア(BeO)、ジルコニア(ZrO)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化シリコン(Si)、炭化シリコン(SiC)マグネシア等のセラミック多結晶基板、或いは1000℃以下で焼成して得たアルミナ(結晶相)と酸化ケイ素(ガラス相)等からなるガラスセラミックス基板(LTCC基板)、或いは石英ガラス等のガラス基板、或いはサファイア、MgO、SrTiO等の単結晶基板、或いはFe−Ni合金等の金属基板が例示される。基板は、化学的、熱的に安定で応力発生が少なく、表面の平滑性を保つことができれば、何れのものでも良い。目的とする比誘電率や焼成温度に基づいて適宜選択すればよい。前記基板の中でも、基板表面の平滑性が良好なシリコン単結晶基板(以下、Si基板と表す。)を用いることが好ましい。図1ではSi基板12を用いている。Si基板12を用いる場合は、絶縁性を確保するためにその表面に熱酸化膜(SiO膜)14を形成することが好ましい(図1(1))。熱酸化膜14は、Si基板12を高温にして、酸化性雰囲気中でSi基板12の表面に酸化膜を形成する。Si基板12の厚みは、特に限定されず、たとえば100〜1000μm程度である。 As the substrate, a silicon single crystal substrate, or alumina (Al 2 O 3), Magushia (MgO), forsterite (2MgO · SiO 2), steatite (MgO · SiO 2), mullite (3Al 2 O 3 · 2SiO 2 ), Beryllia (BeO), zirconia (ZrO 2 ), aluminum nitride (AlN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), ceramic polycrystalline substrate such as silicon carbide (SiC) magnesia, or obtained by firing at 1000 ° C. or lower. Glass ceramic substrate (LTCC substrate) made of alumina (crystal phase) and silicon oxide (glass phase), glass substrate such as quartz glass, single crystal substrate such as sapphire, MgO, SrTiO 3 , or Fe-Ni alloy A metal substrate such as is exemplified. The substrate may be any material as long as it is chemically and thermally stable, generates little stress, and can maintain surface smoothness. What is necessary is just to select suitably based on the target dielectric constant and baking temperature. Among the substrates, it is preferable to use a silicon single crystal substrate (hereinafter referred to as an Si substrate) having a smooth substrate surface. In FIG. 1, a Si substrate 12 is used. When the Si substrate 12 is used, it is preferable to form a thermal oxide film (SiO 2 film) 14 on the surface in order to ensure insulation (FIG. 1 (1)). The thermal oxide film 14 raises the temperature of the Si substrate 12 and forms an oxide film on the surface of the Si substrate 12 in an oxidizing atmosphere. The thickness of the Si substrate 12 is not particularly limited and is, for example, about 100 to 1000 μm.

また、Si基板12には、必要に応じて、ビア電極を形成しても良い。   Further, via electrodes may be formed on the Si substrate 12 as necessary.

次に、Si基板12の上に下部電極16を形成する(図1(2))。下部電極16の材料は、導電性を有すれば特に制限はない。例えば、Au、Pt、Ag、Ir、Ru、Co、Ni、Fe、Cu、Al等の金属またはこれらの合金、Si、GaAs、GaP、InP、SiC等の半導体、ITO、ZnO、SnO等の導電性金属酸化物を用いることができる。 Next, the lower electrode 16 is formed on the Si substrate 12 (FIG. 1 (2)). The material of the lower electrode 16 is not particularly limited as long as it has conductivity. For example, metals such as Au, Pt, Ag, Ir, Ru, Co, Ni, Fe, Cu, Al or alloys thereof, semiconductors such as Si, GaAs, GaP, InP, SiC, ITO, ZnO, SnO 2, etc. Conductive metal oxides can be used.

下部電極16の形成方法としては、通常の薄膜形成法で作製されるが、例えば物理気相成長法(PVD法)やパルスレーザー蒸着法(PLD法)等の物理的蒸着法を用いることができる。PVD法としては、抵抗加熱蒸着又は電子ビーム加熱蒸着等の真空蒸着法、DCスパッタリング、高周波スパッタリング、マグネトロンスパッタリング、ECRスパッタリング又はイオンビームスパッタリング等の各種スパッタリング法、高周波イオンプレーティング、活性化蒸着又はアークイオンプレーティング等の各種イオンプレーティング法、分子線エピタキシー法、レーザアブレーション法、イオン化クラスタビーム蒸着法、並びにイオンビーム蒸着法などを用いることができる。下部電極16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50〜200nm程度である。   The lower electrode 16 is formed by a normal thin film forming method, and for example, a physical vapor deposition method such as a physical vapor deposition method (PVD method) or a pulse laser vapor deposition method (PLD method) can be used. . PVD methods include resistance vapor deposition, vacuum deposition methods such as electron beam heating vapor deposition, DC sputtering, high frequency sputtering, magnetron sputtering, various sputtering methods such as ECR sputtering, ion beam sputtering, high frequency ion plating, activated vapor deposition, or arc. Various ion plating methods such as ion plating, molecular beam epitaxy method, laser ablation method, ionized cluster beam evaporation method, ion beam evaporation method and the like can be used. Although the thickness of the lower electrode 16 is not specifically limited, Preferably it is 10-1000 nm, More preferably, it is about 50-200 nm.

なお、Si基板12と下部電極16との密着性を向上させるために、下部電極16を形成するに先立って密着層を形成しても良い(図示せず)。薄膜誘電体との親和性が全面にわたって増すこととなるので、密着性を高めることができる。密着層はTi、Ta、Co、Ni、Hf、Mo、Wなどの酸化物や窒化物などを用いることができる。また、密着層の形成は、PVD法、化学気相成長法(CVD法)を用いて蒸着する。これらの蒸着方法の選択は、蒸着物質によって適宜選択する。例えばTiOをターゲットとしてスパッタリング法によりTiO層を形成する。 In order to improve the adhesion between the Si substrate 12 and the lower electrode 16, an adhesion layer may be formed prior to the formation of the lower electrode 16 (not shown). Since the affinity with the thin film dielectric increases over the entire surface, the adhesion can be improved. For the adhesion layer, oxides or nitrides such as Ti, Ta, Co, Ni, Hf, Mo, and W can be used. Further, the adhesion layer is formed by vapor deposition using a PVD method or a chemical vapor deposition method (CVD method). These vapor deposition methods are appropriately selected depending on the vapor deposition material. For example to form a TiO 2 layer by sputtering of TiO 2 as a target.

次に、下部電極16の上に薄膜誘電体からなる層18を形成する(図1(3))。薄膜誘電体は、前述のように、組成式が(Sr1−xCaTiOで表されるチタン酸ストロンチウムカルシウムを含み、上記組成式中の原子数比xを0.2≦x≦0.6とし且つ原子数比yを0.97≦y≦1.10とした薄膜誘電体である。原子数比xを0.2≦x≦0.6とし且つ原子数比yを0.97≦y≦1.10とすることで、チタン酸ストロンチウムカルシウムを含む薄膜誘電体を高温環境下でも比誘電率が高く、リーク特性が良好な薄膜誘電体とすることができる。ここで、原子数比xが小さすぎると(0.2未満であると)、比誘電率が低下し、リーク電流密度が増加する傾向となる。また、原子数比xが大きすぎると(0.6を超えると)、リーク電流密度が増加する傾向となる。より望ましくは、原子数比xは、0.3≦x≦0.5である。また、原子数比yが小さすぎると(0.97未満であると)、比誘電率は低下し、リーク電流密度は増加する傾向となる。また、原子数比yが大きすぎると(1.10を超えると)、リーク電流密度が増加する傾向となる。より望ましくは、0.98≦y≦1.05である。 Next, a layer 18 made of a thin film dielectric is formed on the lower electrode 16 (FIG. 1C). As described above, the thin film dielectric includes strontium calcium titanate whose composition formula is represented by (Sr 1-x Ca x ) y TiO 3 , and the atomic ratio x in the composition formula is 0.2 ≦ x It is a thin film dielectric in which ≦ 0.6 and the atomic ratio y is 0.97 ≦ y ≦ 1.10. By setting the atomic ratio x to 0.2 ≦ x ≦ 0.6 and the atomic ratio y to 0.97 ≦ y ≦ 1.10, the thin film dielectric containing strontium calcium titanate can be compared even in a high temperature environment. A thin film dielectric having a high dielectric constant and good leakage characteristics can be obtained. Here, if the atomic ratio x is too small (less than 0.2), the dielectric constant tends to decrease and the leakage current density tends to increase. On the other hand, if the atomic ratio x is too large (exceeding 0.6), the leakage current density tends to increase. More preferably, the atomic ratio x is 0.3 ≦ x ≦ 0.5. On the other hand, if the atomic ratio y is too small (less than 0.97), the dielectric constant tends to decrease and the leakage current density tends to increase. On the other hand, if the atomic ratio y is too large (exceeding 1.10), the leakage current density tends to increase. More desirably, 0.98 ≦ y ≦ 1.05.

薄膜誘電体の膜厚は、30nm〜1000nmとすることが望ましい。より望ましくは、100nm〜1000nmとすることである。薄膜誘電体からなる層18の厚さが30nm未満であると薄膜コンデンサ素子30としての容量は大きくなるが、リーク電流が増大してしまう。薄膜誘電体からなる層18の厚さが1000nmより大きくなると、均一な層とすることが困難で、焼成したときにクラックが生じやすくなる。   The film thickness of the thin film dielectric is desirably 30 nm to 1000 nm. More preferably, it is 100 nm to 1000 nm. If the thickness of the layer 18 made of a thin film dielectric is less than 30 nm, the capacity of the thin film capacitor element 30 increases, but the leakage current increases. If the thickness of the layer 18 made of a thin film dielectric is greater than 1000 nm, it is difficult to form a uniform layer, and cracks tend to occur when fired.

薄膜誘電体には、さらに、Mn元素を添加することが望ましい。チタン酸ストロンチウムカルシウムを含む薄膜誘電体にMn元素を含有させることにより、チタン酸ストロンチウムカルシウムを含む薄膜誘電体に耐還元性を付与すると共に焼結密度を高くすることができる。   It is desirable to further add Mn element to the thin film dielectric. By adding Mn element to the thin film dielectric containing strontium calcium titanate, the thin film dielectric containing strontium calcium titanate can be provided with reduction resistance and the sintering density can be increased.

Mn元素の添加量は、チタン酸ストロンチウムカルシウムの組成式を(Sr1−xCa(Ti1−zMn)Oで表記したときの原子数比zを0<z≦0.05とすることが望ましい。zを0<z≦0.05とすることにより、所定量のMn添加によりMn元素がアクセプターとして働くため、チタン酸ストロンチウムカルシウムを含む薄膜誘電体のリーク電流密度の低減効果を大きくすることができる。Mn元素の添加量が原子数比zで0.05より大きいと、リーク特性が劣化する。 The addition amount of Mn element, 0 atomic ratio z when the notation formula strontium titanate calcium (Sr 1-x Ca x) y (Ti 1-z Mn z) O 3 <z ≦ 0. 05 is desirable. By setting z to 0 <z ≦ 0.05, the Mn element works as an acceptor when a predetermined amount of Mn is added, so that the effect of reducing the leakage current density of the thin film dielectric containing strontium calcium titanate can be increased. . When the added amount of Mn element is larger than 0.05 in terms of the atomic ratio z, the leakage characteristics deteriorate.

本実施形態に係る薄膜誘電体は、通常の薄膜形成法を用いることができる。例えば、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、MOD(Metalorganic Decomposition)法、ゾルゲル法などを用いて形成することができる。   The thin film dielectric according to the present embodiment can use a normal thin film forming method. For example, it can be formed using a vacuum deposition method, a high frequency sputtering method, a pulse laser deposition method (PLD), a MOCVD (Metal Organic Chemical Deposition) method, a MOD (Metalorganic Deposition) method, a sol-gel method, or the like.

上記成膜法の中で、ゾルゲル法やMOD法は、原子レベルの均質な混合が可能であること、組成制御が容易で再現性に優れること、特別な真空装置が必要なく常圧で大面積の成膜が可能であること、工業的に低コストである等の利点から広く利用されている。   Among the above film formation methods, the sol-gel method and the MOD method are capable of homogeneous mixing at the atomic level, easy composition control and excellent reproducibility, large area at normal pressure without the need for special vacuum equipment It is widely used because of its advantages such as that it can be formed and industrially low cost.

以下に、MOD法による薄膜誘電体の形成方法について詳述する。まず、薄膜誘電体からなる層18を形成することになる原料溶液を調整する。薄膜誘電体が、たとえば組成式(Sr0.8Ca0.2)TiOで表される場合には、2−エチルヘキサン酸Srの2−エチルヘキサン酸溶液と、2−エチルヘキサン酸Caの2−エチルヘキサン酸溶液と、2−エチルヘキサン酸Tiのトルエン溶液とを準備する。すなわち、2−エチルヘキサン酸Srを0.8モルと、2−エチルヘキサン酸Caを0.2モルと、2−エチルヘキサン酸Tiを1モルとなるように、これらの三種の溶液を混合し、トルエンで希釈し、原料溶液を得ることができる。 Hereinafter, a method of forming a thin film dielectric by the MOD method will be described in detail. First, a raw material solution for forming the layer 18 made of a thin film dielectric is prepared. When the thin film dielectric is represented by, for example, a composition formula (Sr 0.8 Ca 0.2 ) TiO 3 , a solution of 2-ethylhexanoic acid Sr in 2-ethylhexanoic acid and 2-ethylhexanoic acid Ca A 2-ethylhexanoic acid solution and a toluene solution of Ti 2-ethylhexanoate are prepared. That is, these three kinds of solutions were mixed so that 2-ethylhexanoic acid Sr was 0.8 mol, 2-ethylhexanoic acid Ca was 0.2 mol, and 2-ethylhexanoic acid Ti was 1 mol. The raw material solution can be obtained by diluting with toluene.

また、上記組成の薄膜誘電体に、Mn元素を添加する場合には、2−エチルヘキサン酸Mnをさらに用意して、上記混合溶液に所定量添加する。   In addition, when adding Mn element to the thin film dielectric having the above composition, Mn 2-ethylhexanoate is further prepared and added to the mixed solution in a predetermined amount.

次に、この原料溶液を、図1(2)に示す下部電極16の上に塗布する。塗布法としては、特に限定されず、スピンコート法、ディップコート法、スプレー法などの方法を用いることができる。例えば、スピンコート法を用いる場合の条件は、特に限定されるものではなく、所望の回転数等を適宜設定することができる。一回の塗布により、5〜600nm程度の塗布膜を形成することができる。塗布後、塗布膜中の溶媒を蒸発させるために乾燥させる。乾燥条件は、例えば、室温〜400℃で1分〜60分程度である。   Next, this raw material solution is applied on the lower electrode 16 shown in FIG. The coating method is not particularly limited, and methods such as spin coating, dip coating, and spraying can be used. For example, the conditions for using the spin coating method are not particularly limited, and a desired number of rotations can be appropriately set. A coating film of about 5 to 600 nm can be formed by one application. After coating, the film is dried to evaporate the solvent in the coating film. The drying conditions are, for example, room temperature to 400 ° C. and about 1 minute to 60 minutes.

次に、この乾燥後の塗布膜を、酸素雰囲気下で仮焼きする。仮焼き温度は、膜中の有機物成分を熱分解除去できる程度の温度であれば良く、例えば200〜400℃程度又は200〜700℃程度で5分〜2時間程度行う。仮焼き温度が高すぎると、粒成長により膜表面の凹凸が大きくなったり、組成ずれが起きたりするという問題がある。一方、仮焼き温度が低すぎると、膜中へ有機物が残留するという問題がある。また、仮焼き時間が短すぎると有機物の分解が不十分で、膜中に残留しリーク特性を劣化させる。また、仮焼き時間が長すぎると、膜の特性上問題はないが、プロセスにかかる時間が長くなる。   Next, the dried coating film is calcined in an oxygen atmosphere. The calcining temperature may be a temperature at which the organic component in the film can be thermally decomposed and removed. For example, the calcining temperature is about 200 to 400 ° C. or about 200 to 700 ° C. for about 5 minutes to 2 hours. If the calcining temperature is too high, there are problems that the unevenness of the film surface increases due to grain growth and compositional deviation occurs. On the other hand, if the calcining temperature is too low, there is a problem that organic substances remain in the film. On the other hand, if the calcining time is too short, the organic matter is not sufficiently decomposed and remains in the film to deteriorate the leak characteristics. If the calcining time is too long, there is no problem in the film characteristics, but the time required for the process becomes long.

次に、その仮焼き後の塗布膜の上に、塗布から仮焼きまでの工程をさらに1回以上繰り返し行う。繰り返し行うことにより所望の膜厚の薄膜誘電体を形成することができる。なお、一度の塗布量を多くして塗布厚を厚くすると、繰り返し工程を少なくすることもできるが、一度の塗布厚を厚くすると、クラックが発生するなどの問題があるため、少なくとも前記の範囲、すなわち600nm以下になるように塗布することが好ましい。   Next, the process from application to calcination is further repeated once or more on the coating film after the calcination. By repeating the process, a thin film dielectric having a desired film thickness can be formed. It should be noted that if the coating thickness is increased by increasing the coating amount at one time, it is possible to reduce the number of repeating steps, but if the coating thickness is increased once, there is a problem such as generation of cracks, so at least the above range, That is, it is preferable to apply so that it may be 600 nm or less.

その後に、その塗布膜の本焼成を行う。本焼成時の温度は、塗布膜が結晶化する温度条件で行い、好ましくは500〜1000℃、5分〜2時間程度である。本焼成時の雰囲気は、特に限定されず、酸化性雰囲気、還元性雰囲気、中性雰囲気の何れでも良いが、薄膜誘電体の下面に形成する電極等としてCu、Ni等の金属を用いる場合には、少なくとも非酸化性雰囲気で焼成する必要がある。   Thereafter, the coating film is baked. The temperature during the main baking is performed under a temperature condition that the coating film crystallizes, and is preferably about 500 to 1000 ° C. and about 5 minutes to 2 hours. The atmosphere during the main firing is not particularly limited and may be any of an oxidizing atmosphere, a reducing atmosphere, and a neutral atmosphere. However, when a metal such as Cu or Ni is used as an electrode formed on the lower surface of the thin film dielectric. Needs to be fired at least in a non-oxidizing atmosphere.

また、本焼成に際しては、一回の本焼成後における膜厚が200nm以下、好ましくは10〜200nmになるように設定することが好ましい。焼成前での塗布膜の膜厚が厚すぎると、焼成後に、良好に結晶化した薄膜誘電体を得られ難くなる傾向にある。また、薄すぎる場合には、所望の膜厚の薄膜誘電体を得るためには、本焼成を多数回繰り返す必要があり、経済的ではない。塗布から本焼成までの工程を1回以上繰り返すことによって、最終膜厚が30〜1000nm程度の薄膜誘電体を得ることができる。   In the main baking, it is preferable that the film thickness after one main baking is set to 200 nm or less, preferably 10 to 200 nm. If the thickness of the coating film before firing is too thick, it tends to be difficult to obtain a well-crystallized thin film dielectric after firing. On the other hand, if it is too thin, in order to obtain a thin film dielectric having a desired film thickness, it is necessary to repeat the main firing many times, which is not economical. By repeating the steps from coating to main firing at least once, a thin film dielectric having a final film thickness of about 30 to 1000 nm can be obtained.

薄膜誘電体からなる層18の厚さは100nm以上、1000nm以下とする。薄膜誘電体からなる層18の厚さが100nm未満であると薄膜コンデンサ素子としての容量が大きくなるが、リーク電流が増大してしまう。薄膜誘電体からなる層の厚さが1000nmより大きくなると、均一な層とすることが困難で、焼成したときにクラックが生じやすくなる。   The thickness of the layer 18 made of a thin film dielectric is 100 nm or more and 1000 nm or less. If the thickness of the layer 18 made of a thin film dielectric is less than 100 nm, the capacity of the thin film capacitor element increases, but the leakage current increases. If the thickness of the thin film dielectric layer is greater than 1000 nm, it is difficult to form a uniform layer, and cracks tend to occur when fired.

なお、本実施形態では、薄膜誘電体からなる層18は、MOD法によって形成したが、前述したようにスパッタリング法を用いて形成することとしてもよい。薄膜誘電体からなる層18をスパッタリング法によって形成する場合、例えば、組成式が(Sr1−xCa(Ti1−zMn)Oで表記される焼結体をターゲットとして用いる。薄膜誘電体の成膜条件として、基板温度を600℃、ターゲットへの高周波入力パワーを1.7W/cm、成膜圧力を1.6Paとすることで薄膜誘電体を形成することができる。このとき、ターゲットの組成と薄膜の組成は厳密には一致しない場合がある。このような場合は、目的の組成式で表記される薄膜誘電体を形成するに際して、ターゲットとなる焼結体の組成及び成膜条件を適宜調整する。 In the present embodiment, the layer 18 made of a thin film dielectric is formed by the MOD method, but may be formed by the sputtering method as described above. When forming a layer 18 made of a thin-film dielectric by sputtering, for example, a sintered body having a composition formula is expressed by (Sr 1-x Ca x) y (Ti 1-z Mn z) O 3 as a target . The thin film dielectric can be formed by setting the substrate temperature to 600 ° C., the high frequency input power to the target to 1.7 W / cm 2 , and the film forming pressure to 1.6 Pa. At this time, the composition of the target and the composition of the thin film may not exactly match. In such a case, when forming the thin film dielectric represented by the target composition formula, the composition of the sintered body to be the target and the film formation conditions are adjusted as appropriate.

薄膜誘電体からなる層18の上部に、スパッタリング法などで、上部電極20を形成する(図1(4))。上部電極20の材料は、下部電極16の材料と同様に導電性を有すれば特に制限はなく、上記導電材料を使用することができる。また、上部電極20の材料として、下部電極16に用いたものと同じ材料とすることが望ましい。下部電極16と上部電極20とで、薄膜誘電体からなる層18を挟持する一対の電極を構成することになる。   An upper electrode 20 is formed on the layer 18 made of a thin film dielectric by sputtering or the like (FIG. 1 (4)). The material of the upper electrode 20 is not particularly limited as long as it has conductivity like the material of the lower electrode 16, and the conductive material can be used. The material of the upper electrode 20 is preferably the same as that used for the lower electrode 16. The lower electrode 16 and the upper electrode 20 constitute a pair of electrodes that sandwich the layer 18 made of a thin film dielectric.

薄膜誘電体からなる層18と、当該薄膜誘電体からなる層18を挟持する一対の電極とを備えることによって薄膜コンデンサ素子を形成することになる。   A thin film capacitor element is formed by including a layer 18 made of a thin film dielectric and a pair of electrodes sandwiching the layer 18 made of the thin film dielectric.

また、薄膜誘電体からなる層を複数層設け、かつ当該薄膜誘電体からなる層の間に内部電極を設けた積層構造とすることにより薄膜コンデンサ素子を形成してもよい。   Further, a thin film capacitor element may be formed by providing a multilayer structure in which a plurality of layers made of a thin film dielectric are provided and an internal electrode is provided between the layers made of the thin film dielectric.

上部電極20を形成した後に、アニール処理を施しても良い。アニール処理は、PO=20〜100%、400〜1000℃の温度で行えばよい。アニール処理を行うことにより薄膜誘電体を確実にペロブスカイト型構造とすることができる。 An annealing process may be performed after the upper electrode 20 is formed. The annealing treatment may be performed at a temperature of PO 2 = 20 to 100% and 400 to 1000 ° C. By performing the annealing treatment, the thin film dielectric can be surely made to have a perovskite structure.

また、必要に応じてパッシベージョン層(保護層)を形成する(図示せず)。パッシベーション層の材料は、SiO、Al等の無機材料、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の有機材料を用いることができる。 Further, a passivation layer (protective layer) is formed as necessary (not shown). As a material for the passivation layer, an inorganic material such as SiO 2 or Al 2 O 3 , or an organic material such as an epoxy resin or a polyimide resin can be used.

なお、前記各層を形成する際にその都度フォトリソグラフィ技術を用いて所定のパターンニングを行っても良い。   In addition, when forming each said layer, you may perform predetermined patterning using a photolithographic technique each time.

図1では、下部電極16の電極端子と上部電極20の電極端子が図面両側の方向に配置されているが、それぞれの電極端子は異なる方向に配置されてもよいし、同じ方向に配置されてもよい。さらには、Si基板12にビアホールを設けて、下部電極16を基板の反対側の方向に接続するようにしてもよい。
(実施例)
In FIG. 1, the electrode terminal of the lower electrode 16 and the electrode terminal of the upper electrode 20 are arranged in the directions on both sides of the drawing, but each electrode terminal may be arranged in a different direction or arranged in the same direction. Also good. Furthermore, via holes may be provided in the Si substrate 12 so that the lower electrode 16 is connected in the direction opposite to the substrate.
(Example)

次に、具体的な実施例を示し更に詳細に本発明について説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
(塗布液の調整)
Next, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. In addition, this invention is not limited to a following example.
(Coating solution adjustment)

まず、薄膜誘電体を形成することになる原料溶液を調整した。本実施例では、組成式(Sr1−xCa(Ti1−zMn)Oで表記したとき、(x、y)の組合せを複数変えて薄膜誘電体を形成した。図2に(x、y)の組合せを示す。図2において、横軸は原子数比xを示す。縦軸は、原子数比yを示す。図2に示すように、本実施例では、合計10個の組合せについて、原料溶液を調整した。なお、図2に示す組合せでは、原子数比zは、総てz=0とした。また、本実施例では、(x、y)=(0.4、0.99)の組合せに対して、zを0、0.02、0.04、0.06と変えて薄膜誘電体を形成した。表1、表2、表3に、(x、y、z)の組合せを示す。表1は、図2に示す原子数比の組合せを示した表である。表2は、原子数比xを0.4に固定し、yを変えた組合せを示した表である。表3は、原子数比(x、y)を(0.4、0.99)に固定し、zを変えた組合せを示した表である。

Figure 2007179794
Figure 2007179794
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First, a raw material solution for forming a thin film dielectric was prepared. In this example, when expressed by the composition formula (Sr 1-x Ca x ) y (Ti 1-z Mn z ) O 3 , the thin film dielectric was formed by changing a plurality of combinations of (x, y). FIG. 2 shows a combination of (x, y). In FIG. 2, the horizontal axis represents the atomic ratio x. The vertical axis represents the atomic ratio y. As shown in FIG. 2, in this example, the raw material solutions were prepared for a total of 10 combinations. In the combinations shown in FIG. 2, the atomic ratio z is all set to z = 0. Further, in this example, for the combination of (x, y) = (0.4, 0.99), z is changed to 0, 0.02, 0.04, 0.06 to change the thin film dielectric. Formed. Tables 1, 2 and 3 show combinations of (x, y, z). Table 1 is a table showing combinations of atomic ratios shown in FIG. Table 2 is a table showing combinations in which the atomic ratio x is fixed to 0.4 and y is changed. Table 3 is a table showing combinations in which the atomic ratio (x, y) is fixed at (0.4, 0.99) and z is changed.
Figure 2007179794
Figure 2007179794
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具体的には、2−エチルヘキサン酸Srの2−エチルヘキサン酸溶液と、2−エチルヘキサン酸Caの2−エチルヘキサン酸溶液と、2−エチルヘキサン酸Tiのトルエン溶液と、2−エチルヘキサン酸Mnのトルエン溶液と、を準備し、表1、表2、表3に示す所定の組成となるようにこれらの溶液を混合し、トルエンで希釈して原料溶液を得た。これらの原料溶液は、それぞれクリーンルーム内で、孔径0.2μmのPTFE製シリンジフィルタによって、クリーンルーム内で洗浄済のガラス製容器内に濾過した。
(基板)
Specifically, a 2-ethylhexanoic acid solution of 2-ethylhexanoic acid Sr, a 2-ethylhexanoic acid solution of 2-ethylhexanoic acid Ca, a toluene solution of 2-ethylhexanoic acid Ti, and 2-ethylhexane A toluene solution of acid Mn was prepared, these solutions were mixed so as to have predetermined compositions shown in Table 1, Table 2, and Table 3, and diluted with toluene to obtain a raw material solution. Each of these raw material solutions was filtered into a glass container that had been cleaned in the clean room with a PTFE syringe filter having a pore diameter of 0.2 μm in the clean room.
(substrate)

薄膜誘電体を形成するための基板を準備した。基板は、表面に熱酸化処理により酸化膜(絶縁層)を形成したシリコン基板を用いた。絶縁層の膜厚は、0.5μmとした。その絶縁層の表面に、下部電極としてPt薄膜を、スパッタリング法により0.1μmの厚さで形成した。基板の厚みを1mmとし、その面積は、5mm×10mmとした。
(塗布、乾燥)
A substrate for forming a thin film dielectric was prepared. As the substrate, a silicon substrate having an oxide film (insulating layer) formed on the surface by thermal oxidation treatment was used. The thickness of the insulating layer was 0.5 μm. A Pt thin film having a thickness of 0.1 μm was formed as a lower electrode on the surface of the insulating layer by sputtering. The thickness of the substrate was 1 mm, and the area was 5 mm × 10 mm.
(Coating, drying)

次に、前記の通り調整した原料溶液を、下部電極の上に塗布した。塗布法としては、スピンコート法を用いた。具体的には、前記基板をスピンコータにセットし、基板における下部電極の表面に、それぞれの原料溶液を10μリットルほど添加し、4000rpmおよび20秒の条件で、スピンコートし、下部電極6の表面に塗布膜を形成した。   Next, the raw material solution prepared as described above was applied on the lower electrode. A spin coating method was used as the coating method. Specifically, the substrate is set on a spin coater, about 10 μl of each raw material solution is added to the surface of the lower electrode on the substrate, spin-coated under the conditions of 4000 rpm and 20 seconds, and the surface of the lower electrode 6 is applied. A coating film was formed.

その後、塗布膜の溶媒を蒸発させるために、大気中、150℃で10分間乾燥させた。
(仮焼)
Then, in order to evaporate the solvent of a coating film, it was made to dry for 10 minutes at 150 degreeC in air | atmosphere.
(Calcination)

次に、塗布膜を仮焼きするために、それぞれの基板を、管状炉内に入れた。この管状炉では、0.3リットル/分で酸素をフローしてあり、昇温速度10℃/分で400℃まで昇温し、400℃で10分保持後に、降温速度10℃/分で温度を低下させた。なお、仮焼きでは、塗布膜を結晶化させない温度条件で行った。   Next, in order to calcine the coating film, each substrate was placed in a tubular furnace. In this tubular furnace, oxygen is flowed at a rate of 0.3 liter / min, the temperature is increased to 400 ° C. at a temperature increase rate of 10 ° C./min, held at 400 ° C. for 10 minutes, and then the temperature is decreased at a temperature decrease rate of 10 ° C./min. Decreased. Note that the calcination was performed under temperature conditions that do not cause the coating film to crystallize.

その後に、仮焼きした塗布膜の上に、再度、同じ種類の原料溶液を用いて、上述のスピンコートから仮焼きまでの工程を5回繰り返した。   After that, the above-described steps from spin coating to calcination were repeated 5 times using the same kind of raw material solution again on the calcined coating film.

次に、仮焼きした膜を本焼成するために、それぞれの基板を、管状炉内に入れた。この管状炉では、5ミリリットル/分で酸素をフローしてあり、昇温速度80℃/分で850℃まで昇温し、850℃で30分保持後に、降温速度80℃/分で温度を低下させ、薄膜誘電体の一部を得た。この本焼成後の薄膜誘電体の一部の膜厚は、約20nmとした。   Next, each substrate was placed in a tubular furnace in order to main-fire the calcined film. In this tubular furnace, oxygen is flowed at 5 ml / min, the temperature is increased to 850 ° C. at a temperature increase rate of 80 ° C./min, held at 850 ° C. for 30 minutes, and then the temperature is decreased at a temperature decrease rate of 80 ° C./min. Part of the thin film dielectric was obtained. The film thickness of a part of the thin film dielectric after the main firing was about 20 nm.

その後に、この本焼成後の薄膜誘電体の一部の上に、上述した条件で、塗布、乾燥、仮焼き、塗布、乾燥、仮焼きおよび本焼成を再度繰り返し、最終的にトータル膜厚が250nmの薄膜誘電体を得た。
(アニール)
Thereafter, coating, drying, calcining, coating, drying, calcining, and main firing are repeated again on a part of the thin film dielectric after the main firing under the above-described conditions. A 250 nm thin film dielectric was obtained.
(Annealing)

次に、下部電極上に成膜した薄膜誘電体を粒子成長させるために、薄膜誘電体を成膜した基板をアニール処理してもよい。アニール温度は600℃を超えて1000℃以下、好ましくは800℃以上1000℃以下とする。薄膜誘電体から酸素が欠乏することを防止するために、アニールは酸化性雰囲気中で行うことが望ましい。なお、形成したチタン酸ストロンチウムカルシウムの組成は、XRF(X線蛍光分析)により所望の化学組成となったことを確認した。また、XRD(X線回折)による分析から、形成したチタン酸ストロンチウムカルシウムの構造がペロブスカイト構造で単一相となったことを確認した。
(上部電極の形成)
Next, in order to grow particles of the thin film dielectric formed on the lower electrode, the substrate on which the thin film dielectric is formed may be annealed. The annealing temperature exceeds 600 ° C. and is 1000 ° C. or less, preferably 800 ° C. or more and 1000 ° C. or less. In order to prevent oxygen depletion from the thin film dielectric, it is desirable to perform the annealing in an oxidizing atmosphere. In addition, it confirmed that the composition of the formed strontium calcium titanate became a desired chemical composition by XRF (X-ray fluorescence analysis). Further, from the analysis by XRD (X-ray diffraction), it was confirmed that the structure of the formed strontium calcium titanate was a single phase with a perovskite structure.
(Formation of the upper electrode)

以上の形成方法で、前記各組成について薄膜誘電体を形成し、それぞれの薄膜誘電体の表面に0.1mmφのPt製上部電極をスパッタリング法により形成し、複数種類の薄膜コンデンサ素子のサンプルを作製した。
(アニール)
With the above formation method, a thin film dielectric is formed for each of the above compositions, and a 0.1 mmφ upper electrode made of Pt is formed on the surface of each thin film dielectric by sputtering to produce a plurality of types of thin film capacitor element samples. did.
(Annealing)

上部電極を形成した後に、アニール処理を施しても良い。アニール処理は、pO=20〜100%、400〜1000℃の温度で行えばよい。また、必要に応じてパッシベージョン層(不図示)を形成する。 An annealing treatment may be performed after the upper electrode is formed. The annealing process may be performed at a temperature of pO 2 = 20 to 100% and 400 to 1000 ° C. Further, a passivation layer (not shown) is formed as necessary.

得られたコンデンササンプルの電気特性(比誘電率、リーク電流)を評価した。   The electrical characteristics (relative permittivity, leakage current) of the obtained capacitor samples were evaluated.

比誘電率(単位なし)は、コンデンササンプルに対し、インピーダンスアナライザ(YHP4194A)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、YHP4194Aインピーダンスアナライザを用いて1kHzとして計測した。リーク電流密度は、半導体パラメータアナライザAgilent4156Cを用いて、室温25℃で且つ電界強度50kV/cmの条件下で計測した。また、表1の実施例1、2、3については、125℃で且つ電界強度50kV/cmの条件下でも比誘電率及びリーク電流密度を計測した。 The relative dielectric constant (no unit) is the capacitance measured for the capacitor sample using an impedance analyzer (YHP4194A) at a room temperature of 25 ° C. and a measurement frequency of 100 kHz (AC 20 mV). It calculated from the distance between electrodes. Tan δ was measured as 1 kHz using a YHP4194A impedance analyzer. The leakage current density was measured using a semiconductor parameter analyzer Agilent 4156C under conditions of room temperature of 25 ° C. and electric field strength of 50 kV / cm 2 . For Examples 1, 2, and 3 in Table 1, the relative dielectric constant and the leakage current density were measured even under the conditions of 125 ° C. and electric field strength of 50 kV / cm.

表1、表2、表3に示した原子数比の組合せについて、測定結果をそれぞれ表4、表5、表6に示す。また、125℃で且つ電界強度50kV/cmの条件下での計測結果を表7に示す。

Figure 2007179794
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Table 4, Table 5, and Table 6 show the measurement results for the combinations of atomic ratios shown in Table 1, Table 2, and Table 3, respectively. Table 7 shows the measurement results under the conditions of 125 ° C. and electric field strength of 50 kV / cm.
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図3に、表4に基づいて、原子数比xとリーク電流密度との関係をグラフ化した図を示す。図3において、横軸は原子数比xを示す。縦軸はリーク電流密度を示す。また、図4に、表5に基づいて、原子数比yとリーク電流密度との関係をグラフ化した図を示す。図4において、横軸は原子数比yを示す。縦軸はリーク電流密度を示す。図5に、表6に基づいて、原子数比zとリーク電流密度との関係をグラフ化した図を示す。図5において、横軸は原子数比zを示す。縦軸はリーク電流密度を示す。   FIG. 3 is a graph showing the relationship between the atomic ratio x and the leakage current density based on Table 4. In FIG. 3, the horizontal axis represents the atomic ratio x. The vertical axis represents the leakage current density. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the atomic ratio y and the leakage current density based on Table 5. In FIG. 4, the horizontal axis indicates the atomic ratio y. The vertical axis represents the leakage current density. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the atomic ratio z and the leakage current density based on Table 6. In FIG. 5, the horizontal axis represents the atomic ratio z. The vertical axis represents the leakage current density.

まず、表4から、実施例1、2、3、4、5、6について、比誘電率が100以上となり、原子数比x、yを0.2≦x≦0.6で且つ0.97≦y≦1.10とすることで、高い比誘電率を得ることができることがわかる。   First, from Table 4, for Examples 1, 2, 3, 4, 5, and 6, the relative dielectric constant was 100 or more, and the atomic ratio x, y was 0.2 ≦ x ≦ 0.6 and 0.97. It can be seen that a high dielectric constant can be obtained by setting ≦ y ≦ 1.10.

また、図3から、アニール温度が750℃、800℃いずれの場合でも、原子数比xを0から増加させていくと、リーク電流密度が減少傾向を示すことがわかる。リーク電流密度が最も小さくなるのは、原子数比xがx=0.4のときで、10−6(A/cm)以下となる。また、図3から、原子数比xが、0.2≦x≦0.6であると、リーク特性が良好となることがわかる。 FIG. 3 also shows that the leakage current density tends to decrease as the atomic ratio x increases from 0 regardless of whether the annealing temperature is 750 ° C. or 800 ° C. The leakage current density is the smallest when the atomic ratio x is x = 0.4, which is 10 −6 (A / cm 2 ) or less. Further, FIG. 3 shows that when the atomic ratio x is 0.2 ≦ x ≦ 0.6, the leakage characteristics are good.

また、図4から、原子数比yを0から増加させ、原子数比yをy=0.99とした場合に、リーク電流密度が最も小さくなり、6.7×10−8(A/cm)となる。更に原子数比yを増加させていくと、リーク電流密度も増加する。したがって、図4から、原子数比yが、0.97≦y≦1.10であると、リーク特性が良好で、yを0.98≦y≦1.05とすることがより望ましいことがわかる。 Further, from FIG. 4, when the atomic ratio y is increased from 0 and the atomic ratio y is set to y = 0.99, the leakage current density becomes the smallest, 6.7 × 10 −8 (A / cm 2 ). As the atomic ratio y is further increased, the leakage current density also increases. Therefore, from FIG. 4, when the atomic ratio y is 0.97 ≦ y ≦ 1.10, it is preferable that the leak characteristic is good and y is 0.98 ≦ y ≦ 1.05. Recognize.

また、図5から、原子数比zをz=0.06から減少させていくと、z=0.02のときリーク電流密度は最小で1.2×10−8(A/cm)となる。したがって、原子数比zが、0<z≦0.05であると、リーク特性が良好で、zを0<z≦0.02とすることがより望ましいことがわかる。 Further, from FIG. 5, when the atomic ratio z is decreased from z = 0.06, the leakage current density is 1.2 × 10 −8 (A / cm 2 ) at the minimum when z = 0.02. Become. Therefore, it can be seen that when the atomic ratio z is 0 <z ≦ 0.05, the leakage characteristics are good, and it is more desirable that z is 0 <z ≦ 0.02.

また、表7から、125℃の高温環境下でも実施例1、2、3について、比誘電率を100以上、リーク電流密度を10−6(A/cm)以下とすることができ、原子数比x、yを0.2≦x≦0.6で且つ0.97≦y≦1.10とすることで、高温環境下でも比誘電率が高く、リーク特性が良好で、安定した特性の薄膜誘電体を得ることができることがわかる。 Further, from Table 7, it is possible to set the relative dielectric constant to 100 or more and the leakage current density to 10 −6 (A / cm 2 ) or less for Examples 1, 2, and 3 even under a high temperature environment of 125 ° C. By setting the number ratios x and y to 0.2 ≦ x ≦ 0.6 and 0.97 ≦ y ≦ 1.10, the dielectric constant is high, the leakage characteristics are good, and the characteristics are stable even in a high temperature environment. It can be seen that a thin film dielectric can be obtained.

本発明に係る薄膜誘電体及び薄膜コンデンサは、トランジスタ等の能動素子と共に集積回路等の電子回路に用いることができる。   The thin film dielectric and the thin film capacitor according to the present invention can be used in an electronic circuit such as an integrated circuit together with an active element such as a transistor.

本発明に係る、薄膜コンデンサ素子の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the thin film capacitor element based on this invention. (x、y)の組合せを示した図である。It is the figure which showed the combination of (x, y). 表4に基づいて、原子数比xとリーク電流密度との関係をグラフ化した図である。FIG. 5 is a graph showing the relationship between the atomic ratio x and the leakage current density based on Table 4. 表5に基づいて、原子数比yとリーク電流密度との関係をグラフ化した図である。6 is a graph showing the relationship between the atomic ratio y and the leakage current density based on Table 5. FIG. 表6に基づいて、原子数比zとリーク電流密度との関係をグラフ化した図である。FIG. 7 is a graph showing the relationship between the atomic ratio z and the leakage current density based on Table 6.

符号の説明Explanation of symbols

12 Si基板
14 熱酸化膜
16 下部電極
18 薄膜誘電体からなる層
20 上部電極
12 Si substrate 14 Thermal oxide film 16 Lower electrode 18 Layer made of thin film dielectric 20 Upper electrode

Claims (8)

組成式が(Sr1−xCaTiOで表記されるチタン酸ストロンチウムカルシウムを含む薄膜誘電体であって、
前記組成式の原子数比xを0.2≦x≦0.6とし且つ原子数比yを0.97≦y≦1.10としたことを特徴とする薄膜誘電体。
A thin film dielectric containing strontium calcium titanate represented by a composition formula (Sr 1-x Ca x ) y TiO 3 ,
A thin film dielectric characterized in that the atomic ratio x in the composition formula is 0.2 ≦ x ≦ 0.6 and the atomic ratio y is 0.97 ≦ y ≦ 1.10.
前記薄膜誘電体に、さらにMn元素を含有させて前記チタン酸ストロンチウムカルシウムの組成式を(Sr1−xCa(Ti1−zMn)Oで表記したときの原子数比zを0<z≦0.05としたことを特徴とする請求項1に記載の薄膜誘電体。 The thin film dielectric, further a composition formula of the strontium titanate calcium contain a Mn element (Sr 1-x Ca x) y (Ti 1-z Mn z) atomic ratio z of when expressed in O 3 The thin film dielectric according to claim 1, wherein 0 <z ≦ 0.05. 前記薄膜誘電体の膜厚を30nm〜1000nmとしたことを特徴とする請求項1又は2に記載の薄膜誘電体。   The thin film dielectric according to claim 1 or 2, wherein the thickness of the thin film dielectric is 30 nm to 1000 nm. 前記薄膜誘電体は、25℃の条件で比誘電率が100以上であることを特徴とする請求項1、2又は3に記載の薄膜誘電体。   4. The thin film dielectric according to claim 1, wherein the thin film dielectric has a relative dielectric constant of 100 or more under a condition of 25 ° C. 5. 前記薄膜誘電体は、125℃の条件で比誘電率が100以上であることを特徴とする請求項1、2、3又は4に記載の薄膜誘電体。   5. The thin film dielectric according to claim 1, wherein the thin film dielectric has a relative dielectric constant of 100 or more under a condition of 125 ° C. 6. 前記薄膜誘電体は、25℃で印加電圧50kV/cmの条件でリーク電流密度が10−6A/cm以下であることを特徴とする請求項1、2、3、4又は5に記載の薄膜誘電体。 6. The thin film dielectric according to claim 1, wherein the thin film dielectric has a leakage current density of 10 −6 A / cm 2 or less at 25 ° C. under an applied voltage of 50 kV / cm. Thin film dielectric. 前記薄膜誘電体は、125℃で印加電圧50kV/cmの条件でリーク電流密度が10−6A/cm以下であることを特徴とする請求項1、2、3、4、5又は6に記載の薄膜誘電体。 7. The thin film dielectric according to claim 1, wherein the thin film dielectric has a leakage current density of 10 −6 A / cm 2 or less at 125 ° C. under an applied voltage of 50 kV / cm. The thin film dielectric described. 請求項1、2、3、4、5、6又は7に記載の薄膜誘電体からなる層と、該薄膜誘電体からなる層を挟持する一対の電極と、を有することを特徴とする薄膜コンデンサ素子。
A thin film capacitor comprising: a layer made of the thin film dielectric according to claim 1, and a pair of electrodes sandwiching the layer made of the thin film dielectric. element.
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