JP2016195160A - 薄膜キャパシタ - Google Patents

Abstract

【課題】 特性劣化を抑制可能な薄膜キャパシタを提供する。【解決手段】下部電極４は、基板１の厚み方向（Ｚ）に沿った縦断面が、凹凸構造を有し、上部電極６は、基板の厚み方向に沿った縦断面が、凹凸構造を有し、下部電極４の凸部間の隙間に、上部電極６の下部電極側へ突出した凸部が位置し、下部電極４は、主成分としてＣｕを含み、基板１のヤング率ＥＳＳ、応力調整層２のヤング率ＥＳＣ、及び、下部電極４のヤング率ＥＬＥは、以下の関係式：ＥＬＥ＜ＥＳＣ、ＥＳＳ＜ＥＳＣを満たすことを特徴とする【選択図】図１

Description

本発明は、縦断面が凹凸構造を有する薄膜キャパシタに関するものである。

電子部品としての薄膜キャパシタは、例えば特許文献１に記載されている。また、トレンチキャパシタは、半導体集積化技術において、単位面積当たりの表面積が増加するように、立体的な構造を有しており、メモリを構成するキャパシタの高容量化を達成する構造として考案された（特許文献２参照）。また、このような立体的な構造を、メモリ以外の電子部品に応用しようとする試みもある（特許文献３）。

特開２００２−２６２６６号公報 米国特許６，７４０，９２２号明細書 特開平６−３２５９７０号公報

しかしながら、電子部品として凹凸構造を有することで小型化した薄膜キャパシタにおいては、機械的強度が低下し、薄膜キャパシタの特性が容易に劣化することがある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、特性劣化を抑制可能な薄膜キャパシタを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、第１の薄膜キャパシタは、基板と、前記基板の主表面上に形成された応力調整層と、前記応力調整層上に形成された下部電極と、前記下部電極を被覆する誘電体薄膜と、前記誘電体薄膜上に形成された上部電極と、を備え、前記下部電極は、前記基板の厚み方向に沿った縦断面が、凹凸構造を有し、前記上部電極は、前記基板の厚み方向に沿った縦断面が、凹凸構造を有し、前記下部電極の凸部間の隙間に、前記上部電極の前記下部電極側へ突出した凸部が位置し、前記下部電極は、主成分としてＣｕを含み、前記基板のヤング率Ｅ_ＳＳ、前記応力調整層のヤング率Ｅ_ＳＣ、及び、前記下部電極のヤング率Ｅ_ＬＥは、以下の関係式：Ｅ_ＬＥ＜Ｅ_ＳＣ、Ｅ_ＳＳ＜Ｅ_ＳＣを満たすことを特徴とする。

この薄膜キャパシタによれば、応力調整層が、これら３つの要素の中で、下部電極よりも、下部電極を支持するための基板よりも硬いため（ヤング率が高い）、下部電極の変形が抑制され、これに隣接する誘電体薄膜の当該変形に伴う損壊、及び、これに伴う特性劣化を抑制することができる。

第２の薄膜キャパシタにおいては、前記基板の線膨張係数α_ＳＳ、前記応力調整層の線膨張係数α_ＳＣ、及び、前記下部電極の線膨張係数α_ＬＥは、以下の関係式：α_ＳＣ＜α_ＬＥ、α_ＳＣ＜α_ＳＳを満たすことを特徴とする。

この場合、基板または下部電極に熱膨張が生じても、応力調整層の線膨張係数が小さいため、基板または下部電極の熱膨張が抑制されるという理由により、温度変化による下部電極の変形が減少し、これに隣接する誘電体薄膜の損壊、及び、これに伴う特性劣化を抑制することができる。

第３の薄膜キャパシタにおいては、前記基板の熱伝導率λ_ＳＳ、前記応力調整層の熱伝導率λ_ＳＣ、及び、前記下部電極の熱伝導率λ_ＬＥは、以下の関係式：λ_ＳＣ＜λ_ＳＳ、λ_ＳＣ＜λ_ＬＥを満たすことを特徴とする。

この場合、基板または下部電極に温度変化が生じても、応力調整層の熱伝導率が小さいため、基板と下部電極の熱伝導が抑制され線膨張の発生が抑制されるという理由により、温度変化による下部電極の変形が減少し、これに隣接する誘電体薄膜の損壊、及び、これに伴う特性劣化を抑制することができる。特に、相対的に容積の大きな基板における温度変化の影響が下部電極に伝わらない、という観点の効果が大きい傾向がある。

第４の薄膜キャパシタにおいては、前記下部電極は、前記基板の主表面と平行に延びた共通電極部分と、前記共通電極部分から、前記基板から離れる方向に突出して延びた複数の前記凸部と、を備えており、この薄膜キャパシタは、前記上部電極を被覆する保護膜と、前記応力調整層上に形成されたダミー電極と、前記下部電極の前記共通電極部分上に形成された下部コンタクト電極と、を備え、前記ダミー電極上には、前記誘電体薄膜、前記上部電極、及び、第１接続電極が位置し、前記下部電極の前記共通電極部分上には、前記誘電体薄膜に設けられた開口を介して、前記共通電極部分に接触した前記下部コンタクト電極、及び、第２接続電極が位置し、前記ダミー電極は、前記下部電極の前記共通電極部分と同じ厚みであり、前記保護膜に設けられた第１コンタクトホール内に、前記第１接続電極は位置しており、前記保護膜に設けられた第２コンタクトホール内に、前記第２接続電極は位置していることを特徴とする。

この構造の場合、ダミー電極は、下部電極の前記共通電極部分と同じ厚みであるため、第１接続電極と第２接続電極の厚み方向の高さを概ね等しくすることが可能であり、フラットな構造の薄膜キャパシタを形成することができる。

本発明の薄膜キャパシタによれば、所定条件の応力調整層を備えることにより、特性劣化を抑制することが可能である。

実施形態に係る薄膜キャパシタの縦断面構成を示す図である。 薄膜キャパシタの製造工程を説明するための図である。 様々な下部電極及びダミー電極の平面図である。 様々な上部電極及び下部コンタクト電極の平面図である。 薄膜キャパシタの分解斜視図である。 変形した実施形態に係る薄膜キャパシタの縦断面構成を示す図である。 物質のパラメータを示す図表である。 各実験例（実施例及び比較例）におけるヤング率の実験条件を示す図表である。 各実験例（実施例及び比較例）における線膨張係数の関係を示す図表である。 各実験例（実施例及び比較例）における熱伝導度の関係を示す図表である。 上述の各実験例（実施例及び比較例）のサンプルに対して、環境試験を行った後の正常品の個数を示す図表である。

以下、実施の形態に係る薄膜キャパシタについて説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。また、ＸＹＺ三次元直交座標系を設定し、基板の厚み方向をＺ軸方向とする。

図１は、実施形態に係る薄膜キャパシタの縦断面構成を示す図である。なお、図５は、薄膜キャパシタの分解斜視図であるが、構造を明瞭に説明するため、下地層や保護膜などの図１における一部の記載を省略している。以下の説明においては、図１及び図５を適宜参照する。

この薄膜キャパシタは、基板１と、基板１の主表面（ＸＹ平面）上に形成された応力調整層２と、応力調整層２上に下地層３を介して形成された下部電極４と、下部電極４を被覆する誘電体薄膜５と、誘電体薄膜５上に形成された上部電極６とを備えている。

薄膜キャパシタの主要部は、下部電極４と、上部電極６と、これらの間に位置する誘電体薄膜５によって構成されている。

下部電極４は、基板１の主表面と平行に延びた共通電極部分４ａと、共通電極部分４ａから、基板１から離れる方向に突出して延びた複数の凸部４ｂとを備えている。同様に、上部電極６は、基板１の主表面と平行に延びた共通電極部分６ａと、共通電極部分６ａから、基板１に近づく方向に突出して延びた複数の凸部６ｂとを備えている。また、上部電極６は、外部端子との接続電極が接触するためのコンタクト部６ｃを有している。

下部電極４は、基板１の厚み方向に沿った縦断面（ＸＺ面）が、凹凸構造を有しており、櫛歯形状を有している。同様に、上部電極６は、基板１の厚み方向に沿った縦断面（ＸＺ面）が、凹凸構造を有し、櫛歯形状を有している。下部電極４の凸部４ｂ間の隙間に、上部電極６の下部電極側へ突出した凸部６ｂが位置し、櫛歯が対向して噛み合うような構造になっているこの構造は、縦断面においては、トレンチ構造であり、単位面積当たりの容量を増加させている。

この薄膜キャパシタは、上部電極６を被覆する保護膜７と、応力調整層２上に形成されたダミー電極４Ｄと、下部電極４の共通電極部分４ａ上に形成され、これに接触した下部コンタクト電極６Ｄとを備えている。ダミー電極４Ｄは、下部電極の共通電極部分４ａと同時に形成され、下部コンタクト電極６Ｄは、上部電極６と同時に形成される。

薄膜キャパシタの図面左側の部分において、ダミー電極４Ｄ上には、誘電体薄膜５、上部電極６のコンタクト部６ｃ、及び、第１接続電極８ａが位置している。一方、薄膜キャパシタの図面右側部分において、下部電極４の共通電極部分４ａ上には、誘電体薄膜５に設けられた開口を介して、共通電極部分４ａに接触した下部コンタクト電極６Ｄ、及び、第２接続電極８ｂが位置している。ダミー電極４Ｄは、下部電極４の共通電極部分４ａと同じ厚みである。

また、保護膜７に設けられた第１コンタクトホールＨａ内に、第１接続電極８ａは位置しており、保護膜７に設けられた第２コンタクトホールＨｂ、第２接続電極８ｂは位置している。

この構造の場合、ダミー電極４Ｄは、下部電極４の共通電極部分４ａと同じ厚みであるため、第１接続電極８ａと第２接続電極８ｂの厚み方向の高さを概ね等しくすることが可能であり、フラットな構造の薄膜キャパシタを形成することができる。

第１接続電極８ａ上には、コンタクト電極及び／又はアンダーバンプメタル９ａが接触して位置しており、第２接続電極８ｂ上には、コンタクト電極及び／又はアンダーバンプメタル９ｂが接触して位置している。これえええらのアンダーバンプメタル９ａ，９ｂ上にはバンプ１０ａ，１０ｂがそれぞれ配置される。

図２は、薄膜キャパシタの製造工程を説明するための図である。

まず、図２（Ａ）のように、基板１を用意する。基板材料としては、絶縁体や半導体を用いることができるが、本例では、加工と処理の容易性に鑑みて、基板材料としてＳｉを用いる。

次に、図２（Ｂ）のように、基板１上に応力調整層２を形成する。形成法には、材料に応じて、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ（化学的気相成長）法などがある。本例では、応力調整層２として、シリコン窒化物（ＳｉＮｘ）（ｘは適当な自然数であり、主としてＳｉ_３Ｎ_４など）を用いるので、形成法としてはシリコン窒化物をターゲットとするスパッタ法を用いる。

しかる後、図２（Ｃ）のように、応力調整層２上に下地層３を形成し、続いて、応力調整層２上に、下部電極の初期の共通電極部分４ａを形成する。これらの形成法には、スパッタ法、蒸着法やメッキ法などがある。下地層３及び初期の共通電極部分４ａ（下部電極）は、共に、銅（Ｃｕ）を主成分（原子百分率が５０％以上）として含有しており、必要に応じて、下地層３にはＣｒなどの接着強度を高める材料を混入することができる。

次に、図２（Ｄ）のように、初期の共通電極部分４ａ及び下地層３をフォトリソグラフィ―により、パターニングし、一部分を本体部分から分離して、これをダミー電極４Ｄとする。すなわち、エッチングをして除去する部分が開口したマスクを初期の共通電極部分４ａ上に形成し、マスクを介してエッチングをした後、当該マスクを除去する。このエッチングには、ウエットエッチングの他、Ａｒミリング法、又は、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法などのドライエッチング法を用いることができる。銅のウエットエッチングには、過酸化水素水などを用いることができる。

次に、図２（Ｅ）のように、複数の凸部４ｂからなる櫛歯の部分を共通電極部分４ａ上に形成する。複数の凸部４ｂはフォトリソグラフィ―によりパターニングする。すなわち、凸部４ｂとなるメッキ層を成長させる部分が開口したマスクを共通電極部分４ａ上に形成し、このマスクの開口内に凸部４ｂを成長させた後、当該マスクを除去する。或いは、凸部４ｂとなるメッキ層を共通電極部分４ａ上に形成し、共通電極部分４ａ上にマスクを形成し、マスクの開口をエッチングすることで、凸部４ｂを残留させ、しかる後、当該マスクを除去する。

次に、図２（Ｆ）のように、下部電極４上及びダミー電極４Ｄ上に誘電体薄膜５を形成する。本例の誘電体薄膜５は、Ａｌ_２Ｏ_３であるが、ＭｇＯやＳｉＯ_２などの他の誘電体を用いてもよい。誘電体薄膜５の形成法には、スパッタ法や、ＣＶＤ法、或いはＡＬＤ（原子層堆積）法が挙げられる。例えば、アルミナをターゲットとするスパッタ法を用いることができるが、本例では、Ａｌ原料であるＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）と、Ｏ原料であるＨ_２Ｏを交互に基板表面上に供給するＡＬＤ法を用いる。

次に、図２（Ｇ）のように、誘電体薄膜５の一部分に、フォトリソグラフィ―技術を用いて、コンタクトホールＨを形成する。形成には、ドライエッチング又ウエットエッチンンを用いることが可能である。ドライエッチングとしてＡｒミリングを用いることも可能である。

しかる後、図２（Ｈ）のように、フォトグラフィー技術を用いて、誘電体薄膜上にマスクを形成し、このマスクの開口を介して、上部電極６及び下部コンタクト電極６Ｄを誘電体薄膜５上に同時に形成する。誘電体薄膜５の一部分はコンタクトホールによって開口しているので、下部電極４の一部は、下部コンタクト電極６Ｄに接続され、上部電極６の残余の部分は、下部電極及び誘電体薄膜と共に、キャパシタの本体部分を形成する。形成においては、スパッタ法、蒸着法又はメッキ法を用いることができる。上部電極６は、銅（Ｃｕ）を主成分（原子百分率が５０％以上）として含有している。

次に、図２（Ｉ）のように、全体を保護膜７で被覆し、フォトグラフィー技術を用いて、保護膜７上にマスクを形成し、マスクに２か所の開口を作製し、これらの開口内をエッチングすることで、コンタクトホールＨａ及びＨｂを形成する。保護膜７は絶縁材料であればよいが、本例では樹脂材料（ポリイミド）を採用する。形成にはスピンコータ等による塗布法を用いることができる。次に、これらのコンタクトホール内に、第１接続電極８ａ及び第２接続電極８ｂを埋め込む。第１接続電極８ａ及び第２接続電極８ｂの材料が銅（Ｃｕ）を主成分とする場合、これらの形成法には、蒸着法、スパッタ法又はメッキ法などを用いることができる。

第１接続電極８ａ及び第２接続電極８ｂ上に、導電性のパッドとなるアンダーバンプメタル９ａ及びアンダーバンプメタル９ｂを設ける。これらはコンタクト電極として機能させることもできるし、異なる材料を用いて、コンタクト電極上に更にアンダーバンプメタルを設けることができる。アンダーバンプメタル９ａ，９ｂ上には、バンプ１０ａ，１０ｂがそれぞれ配置される。アンダーバンプメタル又はコンタクト電極の材料としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕを用いることができる。これらは各材料毎に、積層したり、混合して用いることができる。好適には、Ｃｕ上にＮｉ及びＡｕのメッキを施すことができる。

なお、下部電極４の構造としては、縦断面が凹凸構造を有するものであれば、様々なものが考えられる。また、上述の薄膜キャパシタは、単一のウェハ上に複数形成することができ、個別又は所望のグループごとにダイシングして分離して使用できる。

図３は、様々な下部電極４及びダミー電極４Ｄの平面図である。なお、図１におけるキャパシタの出力取り出し電極（バンプ１０ａ，１０ｂ）は、Ｘ軸方向の離間している。

図３（Ａ）の構造の場合、下部電極４は、＋Ｚ軸方向に向かって突出し、Ｙ軸方向に沿って延びた複数の凸部４ｂを有している。凸部４ｂの間は凹溝が形成される。ベースとなる共通電極部分４ａは、おおむね長方形である。また、ダミー電極４Ｄは、共通電極部分４ａからは離間している。

図３（Ｂ）の構造の場合、下部電極４は、＋Ｚ軸方向に向かって突出し、ＸＹ平面内においてドット状に二次元的に配置された複数の凸部４ｂを有している。凸部４ｂの間は凹部の空間が形成される。ベースとなる共通電極部分４ａは、おおむね長方形である。また、ダミー電極４Ｄは、共通電極部分４ａからは離間している。

図３（Ｃ）の構造の場合、下部電極４は、＋Ｚ軸方向に向かって突出し、Ｘ軸方向に沿って延びた複数の凸部４ｂを有している。凸部４ｂの間は凹溝が形成される。ベースとなる共通電極部分４ａは、おおむね長方形である。また、ダミー電極４Ｄは、共通電極部分４ａからは離間している。

図４は、様々な上部電極及び下部コンタクト電極の平面図である。

図４（Ａ）の構造の場合、上部電極６は、−Ｚ軸方向に向かって突出し、Ｙ軸方向に沿って延びた複数の凸部６ｂを有しており、これらは凸部４ｂの間に位置している。凸部６ｂの間は＋Ｚ軸方向に窪んだ凹溝が形成され、凸部４ｂを収容している。ベースとなる共通電極部分６ａは、おおむね長方形であるが、コンタクト部６ｃは共通電極部分６ａの一端から−Ｘ軸方向に延びており、下部コンタクト電極６Ｄは、共通電極部分６ａからは離間している。

図４（Ｂ）の構造の場合、上部電極６は、−Ｚ軸方向に向かって突出し、複数の凸部４ｂの周囲を埋める凸部４ｂを有している。凸部６ｂの間は、凸部４ｂを収容するための＋Ｚ軸方向に窪んだ凹部の空間が形成される。ベースとなる共通電極部分６ａは、おおむね長方形であるが、コンタクト部６ｃは共通電極部分６ａの一端から−Ｘ軸方向に延びており、下部コンタクト電極６Ｄは、共通電極部分６ａからは離間している。

図４（Ｃ）の構造の場合、上部電極６は、−Ｚ軸方向に向かって突出し、Ｘ軸方向に沿って延びた複数の凸部６ｂを有しており、これらは凸部４ｂの間に位置している。凸部６ｂの間は＋Ｚ軸方向に窪んだ凹溝が形成され、凸部４ｂを収容している。ベースとなる共通電極部分６ａは、おおむね長方形であるが、コンタクト部６ｃは共通電極部分６ａの一端から−Ｘ軸方向に延びており、下部コンタクト電極６Ｄは、共通電極部分６ａからは離間している。

図６は、変形した実施形態に係る薄膜キャパシタの縦断面構成を示す図である。

図６の示した構造は、図１に示したものと比較して、上部電極６の厚みが厚くなり、第１接続電極を兼用することで、保護膜７内に形成される上部電極６上に、直接、コンタクト電極及び／又はアンダーバンプメタル９ａを形成した構造である。その他の構造は、図１に示したものと同一である。

次に、上述の各要素の材料について説明する。

下部電極４は、主成分としてＣｕを含んでいる。なお、下部電極４は、銅が１００(atm％)であるとする。上部電極６も、主成分としてＣｕを含んでいる。これらは同一の材料から構成することもできるし、異なる材料から構成することもできる。本例では、同一の材料であり、同一の物性を有しているものとする。基板１はＳｉからなり、応力調整層２はシリコン窒化物からなる。

この場合、基板１のヤング率Ｅ_ＳＳ、応力調整層２のヤング率Ｅ_ＳＣ、及び、下部電極４のヤング率Ｅ_ＬＥは、以下の関係式を満たしている。

関係式：
Ｅ_ＬＥ＜Ｅ_ＳＣ、
Ｅ_ＳＳ＜Ｅ_ＳＣ、

この薄膜キャパシタによれば、応力調整層２が、これら３つの要素の中で、最も軟らかい下部電極４よりも、下部電極４を支持するための基板１よりも硬いため（ヤング率が高い）、下部電極４の変形が抑制され、これに隣接する誘電体薄膜５の当該変形に伴う損壊、及び、これに伴う特性劣化を抑制することができる。

誘電体薄膜５は、Ａｌ_２Ｏ_３からなるが、他の誘電体材料（絶縁体材料）を用いることもできる。Ａｌ_２Ｏ_３のヤング率は、３７０である。ヤング率の低い順番に並べると、Ｃｕ、Ｓｉ、ＳｉＮｘ、Ａｌ_２Ｏ_３は、この順番であり、誘電体薄膜のヤング率が高い場合、その破損を抑制する場合には、本発明は、より効果がある。各要素の特性データは、図７の図表に示す通りである。

また、電極材料として、Ｃｕを用いたが、これには、例えば、図７に示す金属材料を混入させてもよい。すなわち、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉ、Ｔａからなる金属グループから選択されるいずれか１種又は複数種を、Ｃｕに混合してもよい。下部電極と上部電極の材料が同一であれば、製造は簡略化できるが、これらは異ならせてもよい。

また、基板を構成する材料として、図７に示すように、Ｓｉの他に、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、Ｇｅ又はＧａを用いることができる。

誘電体薄膜の材料として、図７に示すように、ＳｉＮｘ、ＡｉＮ、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ガラス、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、又は、エポキシ樹脂を用いることもできる。なお、これらの誘電体は、保護膜の材料としても用いることができる。

また、基板１の線膨張係数α_ＳＳ、応力調整層２の線膨張係数α_ＳＣ、及び、下部電極４の線膨張係数α_ＬＥは、以下の関係を満たすことが好ましい。

関係式：
α_ＳＣ＜α_ＬＥ、
α_ＳＣ＜α_ＳＳ、

この場合、基板または下部電極に熱膨張が生じても、応力調整層の線膨張係数が小さいため、基板または下部電極の熱膨張が抑制されるという理由により、温度変化による下部電極の変形が減少し、これに隣接する誘電体薄膜の損壊、及び、これに伴う特性劣化を抑制することができる。

第３の薄膜キャパシタにおいては、前記基板の熱伝導率λ_ＳＳ、前記応力調整層の熱伝導率λ_ＳＣ、及び、前記下部電極の熱伝導率λ_ＬＥは、以下の関係を満たすことが好ましい。

関係式：
λ_ＳＣ＜λ_ＳＳ、
λ_ＳＣ＜λ_ＬＥ、

この場合、基板または下部電極に温度変化が生じても、応力調整層の熱伝導率が小さいため、基板と下部電極の熱伝導が抑制され線膨張の発生が抑制されるという理由により、温度変化による下部電極の変形が減少し、これに隣接する誘電体薄膜の損壊、及び、これに伴う特性劣化を抑制することができる。特に、相対的に容積の大きな基板における温度変化の影響が下部電極に伝わらない、という観点の効果が大きい傾向がある。
（実験例）

以上の関係式による効果を、上述のような理論的な見地からだけでなく、実験をして確認した。

単一のチップ内に、図１に示した複数のキャパシタを形成し、各キャパシタの耐性について、測定した。製造したそれぞれの薄膜キャパシタのＹ軸方向長（幅）は０．１ｍｍ、Ｘ軸方向長（長さ）は０．４ｍｍである。同一のＳｉウエハ上に、各例のサンプルを１０００個ずつ形成した。ウエハ（基板）の厚みは２ｍｍ、応力調整層の厚みは１μｍ、上部電極と下部電極との間に挟まれる誘電体薄膜の材料はＡＬＤ法で作製されるＡｌ_２Ｏ_３、厚さは１４００Åである。上部電極と下部電極の材料は同一の材料とし、これらの共通電極部分の厚み同一（２μｍ）であり、凹凸構造のピッチは４μｍ、それぞれの凹凸構造における凸部の高さは（８μｍ）、上部電極を被覆する保護膜の材料はポリイミドであり、保護膜内を通る接続電極、接続電極の終端に位置するコンタクト電極又はアンダーバンプメタルはＣｕ上にＮｉ及びＡｕのメッキを施してなる。これらの各電極は、めっき法を用いて作成した。

図８は、各実験例（実施例及び比較例）におけるヤング率の実験条件を示す図表である。

実施例１では、基板としてＳｉ、応力調整層としてＳｉＮｘ、下部電極としてＣｕを用いた。この場合、ヤング率Ｅに関する関係式（Ｅ_ＬＥ＜Ｅ_ＳＣ、Ｅ_ＳＳ＜Ｅ_ＳＣ）は成立している。

実施例２では、基板としてＳｉ、応力調整層としてＳｉＮｘ、下部電極としてＡｌを用いた。この場合、ヤング率Ｅに関する関係式（Ｅ_ＬＥ＜Ｅ_ＳＣ、Ｅ_ＳＳ＜Ｅ_ＳＣ）は成立している。

実施例３では、基板としてＳｉ、応力調整層としてＳｉＮｘ、下部電極としてＮｉを用いた。この場合、ヤング率Ｅに関する関係式（Ｅ_ＬＥ＜Ｅ_ＳＣ、Ｅ_ＳＳ＜Ｅ_ＳＣ）は成立している。

実施例４では、基板としてＳｉ、応力調整層としてＡｌ_２Ｏ_３、下部電極としてＣｕを用いた。この場合、ヤング率Ｅに関する関係式（Ｅ_ＬＥ＜Ｅ_ＳＣ、Ｅ_ＳＳ＜Ｅ_ＳＣ）は成立している。

実施例５では、基板としてＳｉ、応力調整層としてＡｌ_２Ｏ_３、下部電極としてＡｌを用いた。この場合、ヤング率Ｅに関する関係式（Ｅ_ＬＥ＜Ｅ_ＳＣ、Ｅ_ＳＳ＜Ｅ_ＳＣ）は成立している。

実施例６では、基板としてＳｉ、応力調整層としてＺｒＯ_２、下部電極としてＣｕを用いた。この場合、ヤング率Ｅに関する関係式（Ｅ_ＬＥ＜Ｅ_ＳＣ、Ｅ_ＳＳ＜Ｅ_ＳＣ）は成立している。

実施例７では、基板としてＳｉ、応力調整層としてＳｉＯ_２、下部電極としてＡｌを用いた。この場合、ヤング率Ｅに関する関係式（Ｅ_ＬＥ＜Ｅ_ＳＣ、Ｅ_ＳＳ＜Ｅ_ＳＣ）は成立している。

実施例８では、基板としてＺｒＯ_２、応力調整層としてＡｌＮ、下部電極としてＣｕを用いた。この場合、ヤング率Ｅに関する関係式（Ｅ_ＬＥ＜Ｅ_ＳＣ、Ｅ_ＳＳ＜Ｅ_ＳＣ）は成立している。

実施例９では、基板としてＳｉ、応力調整層としてＡｌＮ、下部電極としてＮｉを用いた。この場合、ヤング率Ｅに関する関係式（Ｅ_ＬＥ＜Ｅ_ＳＣ、Ｅ_ＳＳ＜Ｅ_ＳＣ）は成立している。

比較例１では、基板としてＳｉ、応力調整層としてＺｒＯ_２、下部電極としてＮｉを用いた。

比較例２では、基板としてＳｉ、応力調整層としてＳｉＯ_２、下部電極としてＣｕを用いた。

比較例３では、基板としてＡｌ_２Ｏ_３、応力調整層としてＳｉＯ_２、下部電極としてＣｕを用いた。

比較例４では、基板としてＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、応力調整層としてＳｉＯ_２、下部電極としてＣｕを用いた。

比較例５では、基板としてＳｉ、応力調整層としてポリイミド、下部電極としてＣｕを用いた。

実施例１〜実施例９とは異なり、比較例１〜比較例６では、ヤング率Ｅに関する関係式（Ｅ_ＬＥ＜Ｅ_ＳＣ、Ｅ_ＳＳ＜Ｅ_ＳＣ）は成立していない。

これらのサンプルを、各実験例毎に、１０００個ずつ作製し、湿度８５％。温度８５℃の環境下で、電圧３０Ｖを連続的に上下の電極間に印加した。環境試験２４時間後に、絶縁抵抗が１０^１１Ω以上のものを正常品とし、絶縁抵抗が１０^１１Ω未満のものを不良品とした。

図１１は、上述の各実験例（実施例及び比較例）のサンプルに対して、環境試験を行った後の正常品の個数を示す図表である。

実施例１では、１０００個のうち、９８３個が正常品とされた。実施例２では、１０００個のうち、９５６個が正常品とされた。実施例３では、１０００個のうち、９７０個が正常品とされた。実施例４では、１０００個のうち、８９８個が正常品とされた。実施例５では、１０００個のうち、９０８個が正常品とされた。実施例６では、１０００個のうち、９１３個が正常品とされた。実施例７では、１０００個のうち、９４３個が正常品とされた。実施例８では、１０００個のうち、６２２個が正常品とされた。実施例９では、１０００個のうち、５７０個が正常品とされた。比較例１では、１０００個のうち、２０１個が正常品とされた。比較例２では、１０００個のうち、１２８個が正常品とされた。比較例３では、１０００個のうち、１０８個が正常品とされた。比較例４では、１０００個のうち、８９個が正常品とされた。比較例５では、１０００個のうち、６３個が正常品とされた。

以上のように、実施例１〜９のデータが示すように、ヤング率に関する関係式（Ｅ_ＬＥ＜Ｅ_ＳＣ、Ｅ_ＳＳ＜Ｅ_ＳＣ）を満たした場合、これらの関係式を満たさない比較例１〜比較例５と比較して、著しく環境耐性が増加していることが分かった。

図９は、各実験例（実施例及び比較例）における線膨張係数の関係を示す図表である。

実施例１〜実施例８においては、線膨張係数αに関する関係式（α_ＳＣ＜α_ＬＥ、α_ＳＣ＜α_ＳＳ）は成立しており、実施例９においては成立していない。また、比較例１〜４においては、線膨張係数αに関する関係式（α_ＳＣ＜α_ＬＥ、α_ＳＣ＜α_ＳＳ）は成立しており、比較例５おいては成立していない。

実施例１〜実施例８のように、上記ヤング率の関係式を満たした上で、線膨張係数が、上述の関係式（α_ＳＣ＜α_ＬＥ、α_ＳＣ＜α_ＳＳ）を満たす場合と、実施例９のように、線膨張係数が、当該関係式を満たさない場合を比較すると、図１１に示すように、線膨張係数の関係式を満たした方が、明らかに環境耐性が増加している。すなわち、実施例９の正常品個数（５７０個）＜実施例１〜８の正常品個数（６２２個〜９８３個）であり、線膨張係数の関係式を満たすと、環境耐性がさらに向上することが分かる。

図１０は、各実験例（実施例及び比較例）における熱伝導度の関係を示す図表である。

実施例１〜実施例７においては、熱伝導度λに関する関係式（λ_ＳＣ＜λ_ＳＳ、λ_ＳＣ＜λ_ＬＥ）は成立しており、実施例８及び実施例９においては成立していない。また、比較例１〜３及び比較例５においては、熱伝導度λに関する関係式（λ_ＳＣ＜λ_ＳＳ、λ_ＳＣ＜λ_ＬＥ）は成立しており、比較例４おいては成立していない。

実施例１〜実施例７のように、上記ヤング率の関係式を満たした上で、熱伝導度、上述の関係式（λ_ＳＣ＜λ_ＳＳ、λ_ＳＣ＜λ_ＬＥ）を満たす場合と、実施例８及び実施例９のように、熱伝導度が、当該関係式を満たさない場合を比較すると、図１１に示すように、熱伝導度の関係式を満たした方が、明らかに環境耐性が増加している。すなわち、実施例８及び実施例９の正常品個数（６２２個、５７０個）＜実施例１〜７の正常品個数（８９８個〜９８３個）であり、熱伝導度の関係式を満たすと、環境耐性がさらに向上することが分かる。

以上、説明したように、凹凸構造を有する薄膜キャパシタにおいては、単位体積中の電極対向面積を大きくする構造であるため、容量を増加させることができる。一方、電極が細分化されるため強度が低下し、実装時の温度上昇や、実使用時の環境によって発生する機械的な力が誘電体層に伝わり、破壊される虞がある。本実施形態では、この破壊を抑制している。下部電極の凹凸構造としては、縦断面の形状が、櫛歯或いはスリット状の下部電極、又は、ピン又は穴からなる形状の下部電極を用いることができ、下部電極と上部電極の構造は互いに置換させることも可能である。

以上のように、上述の所定の条件を満たすことにより、誘電体薄膜への応力蓄積を抑制し、特性劣化を抑制することができる。

１…基板、４…下部電極、５…誘電体薄膜、６…上部電極。

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板の主表面上に形成された応力調整層と、
   前記応力調整層上に形成された下部電極と、
   前記下部電極を被覆する誘電体薄膜と、
   前記誘電体薄膜上に形成された上部電極と、
   を備え、
   前記下部電極は、前記基板の厚み方向に沿った縦断面が、凹凸構造を有し、
   前記上部電極は、前記基板の厚み方向に沿った縦断面が、凹凸構造を有し、
   前記下部電極の凸部間の隙間に、前記上部電極の前記下部電極側へ突出した凸部が位置し、
   前記下部電極は、主成分としてＣｕを含み、
   前記基板のヤング率Ｅ_ＳＳ、
   前記応力調整層のヤング率Ｅ_ＳＣ、及び、
   前記下部電極のヤング率Ｅ_ＬＥは、
   以下の関係式：
   Ｅ_ＬＥ＜Ｅ_ＳＣ、
   Ｅ_ＳＳ＜Ｅ_ＳＣ、
   を満たすことを特徴とする薄膜キャパシタ。
2. 前記基板の線膨張係数α_ＳＳ、
   前記応力調整層の線膨張係数α_ＳＣ、及び、
   前記下部電極の線膨張係数α_ＬＥは、
   以下の関係式：
   α_ＳＣ＜α_ＬＥ、
   α_ＳＣ＜α_ＳＳ、
   満たすことを特徴とする請求項１に記載の薄膜キャパシタ。
3. 前記基板の熱伝導率λ_ＳＳ、
   前記応力調整層の熱伝導率λ_ＳＣ、及び、
   前記下部電極の熱伝導率λ_ＬＥは、
   以下の関係式：
   λ_ＳＣ＜λ_ＳＳ、
   λ_ＳＣ＜λ_ＬＥ、
   を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜キャパシタ。
4. 前記下部電極は、
   前記基板の主表面と平行に延びた共通電極部分と、
   前記共通電極部分から、前記基板から離れる方向に突出して延びた複数の前記凸部と、
   を備えており、
   この薄膜キャパシタは、
   前記上部電極を被覆する保護膜と、
   前記応力調整層上に形成されたダミー電極と、
   前記下部電極の前記共通電極部分上に形成された下部コンタクト電極と、
   を備え、
   前記ダミー電極上には、前記誘電体薄膜、前記上部電極、及び、第１接続電極が位置し、
   前記下部電極の前記共通電極部分上には、前記誘電体薄膜に設けられた開口を介して、前記共通電極部分に接触した前記下部コンタクト電極、及び、第２接続電極が位置し、
   前記ダミー電極は、前記下部電極の前記共通電極部分と同じ厚みであり、
   前記保護膜に設けられた第１コンタクトホール内に、前記第１接続電極は位置しており、
   前記保護膜に設けられた第２コンタクトホール内に、前記第２接続電極は位置している、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の薄膜キャパシタ。

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