JP2019071388A - 薄膜コンデンサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成を有する薄膜コンデンサおよびその製造方法を提供する。【解決手段】薄膜コンデンサ１においては、積層体２２の斜面２２ａ、２２ｂに電極層２０と誘電体層２１とが縞状に並んでおり、該斜面２２ａ、２２ｂを覆う絶縁層２４の開口２６に引出電極２８が設けられている。そのため、薄膜コンデンサ１では、深さの異なる貫通孔を形成する必要がなく、簡素な構成が実現されている。【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜コンデンサおよびその製造方法に関する。

従来より、電極層と誘電体層とが交互に積層された積層構造を有し、電極層に接続された複数の引出電極（コンタクトホール）を有する薄膜コンデンサが知られている。（たとえば下記特許文献１参照）

国際公開０７／０４６１７３号

しかしながら、上述した従来技術に係る薄膜コンデンサでは、積層方向に関する位置が異なる複数の電極層それぞれに引出電極を接続するために、深さの異なる貫通孔を形成する必要があり、構造が複雑化していた。

本発明は、簡素な構成を有する薄膜コンデンサおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る薄膜コンデンサは、複数の電極層と複数の誘電体層とを有し、電極層と誘電体層とが交互に積層され、かつ、積層方向に対して傾くとともに電極層と誘電体層とが縞状に並ぶ斜面を有する積層体と、積層体の斜面を覆うとともに、複数の電極層の一つが露出する開口を有する絶縁層と、絶縁層上に形成され、絶縁層の開口から露出した電極層に接する引出電極とを備え、斜面において絶縁層から露出する電極層は、積層方向から見たときの幅が膜厚より広い。

上記薄膜コンデンサでは、積層体の斜面に電極層と誘電体層とが縞状に並んでおり、該斜面を覆う絶縁層の開口に引出電極が設けられている。そのため、上記薄膜コンデンサでは、深さの異なる貫通孔を形成する必要がなく、簡素な構成が実現されている。また、斜面において絶縁層から露出する電極層は、積層方向から見たときの幅が膜厚より広くなっているため、電極層と引出電極との間の電気的な接続を図る際の位置制御の容易化が図られている。

本発明の他の態様に係る薄膜コンデンサでは、複数の電極層が、複数の第１電極層と複数の第２電極層とを含み、積層体において第１電極層と第２電極層とが誘電体層を介して交互に積層されており、絶縁層が、第１電極層および第２電極層のうちの第１電極層のみを露出する複数の第１開口および第２電極層のみを露出する複数の第２開口を有し、絶縁層の第１開口から露出した複数の第１電極層に接する第１引出電極と、絶縁層の第２開口から露出した複数の第２電極層に接する第２引出電極とを有する。この場合、一対の引出電極を用いて、複数の第１電極層および複数の第２電極層を効率良く引き出すことができる。

本発明の他の態様に係る薄膜コンデンサでは、斜面が積層体の全層に亘って形成されており、絶縁層が、第１電極層と同数の第１開口および第２電極層と同数の第２開口を有する。この場合、積層体の電極層の数が多い場合であっても一対の引出電極（第１引出電極および第２引出電極）で足り、引出電極の数を増やす必要がない。

本発明の一態様に係る薄膜コンデンサの製造方法は、複数の電極層と複数の誘電体層とを有し、電極層と誘電体層とが交互に積層された積層体を準備する工程と、積層体に、積層方向に対して傾くとともに電極層と誘電体層とが縞状に並ぶ斜面を形成する工程と、積層体の斜面を、複数の電極層の一つが露出する開口を有する絶縁層で覆う工程と、絶縁層上に、絶縁層の開口から露出した電極層に接する引出電極を形成する工程とを含み、斜面を形成する工程で、絶縁層の開口から露出する電極層の積層方向から見たときの幅を膜厚より広くする。

上記薄膜コンデンサの製造方法では、積層体に、電極層と誘電体層とが縞状に並ぶ斜面が形成され、該斜面を覆う絶縁層の開口に引出電極が設けられる。そのため、深さの異なる貫通孔を形成する必要がなく、簡素な構成を有する薄膜コンデンサが作製される。また、斜面において絶縁層から露出する電極層は、積層方向から見たときの幅が膜厚より広くなっているため、電極層と引出電極との間の電気的な接続を図る際の位置制御の容易化が図られている。

本発明の様々な態様によれば、簡素な構成を有する薄膜コンデンサおよびその製造方法が提供される。

図１は、本発明の一態様に係る薄膜コンデンサを示した断面図である。 図２は、図１に示した薄膜コンデンサの積層体の平面図である。 図３は、図１に示した薄膜コンデンサの積層体を絶縁層で覆った状態を示した平面図である。 図４は、図１に示した薄膜コンデンサの平面図である。 図５は、図１に示した薄膜コンデンサの製造方法の各工程を示した図である。 図６は、図１に示した薄膜コンデンサの製造方法の各工程を示した図である。 図７は、異なる態様の薄膜コンデンサを示した平面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１に示すように、実施形態に係る薄膜コンデンサ１は、積層構造を有しており、基板１０と、基板１０上において電極層２０と誘電体層２１とが交互に積層された積層体２２とを有している。

基板１０は、主成分としてＮｉを含有する。本実施形態では、基板１０を構成するＮｉの純度は９９．９９重量％以上である。なお、基板１０に微量の不純物が含まれていてもよい。基板１０に含まれ得る不純物としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）またはクロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セシウム（Ｃｅ）等の遷移金属元素あるいは希土類元素等、塩素（Ｃｌ）、硫黄（Ｓ）、リン（Ｐ）等が挙げられる。

基板１０の厚さは、５〜１００μｍであることが好ましく、２０〜７０μｍであることがより好ましく、５０μｍ程度であることがさらに好ましい。基板１０の厚さが薄過ぎる場合、薄膜コンデンサ１の製造時に基板１０をハンドリングし難くなる傾向があり、下地電極２の厚さが厚過ぎる場合、リーク電流を抑制する効果が小さくなる傾向がある。なお、下地電極２の面積は、一例として１×０．５ｍｍ^２程度である。

積層体２２は、複数の電極層２０（本実施形態では４層）と複数の誘電体層２１（本実施形態では５層）とを含み、電極層２０と誘電体層２１とが交互に積層されている。具体的には、基板１０の直上には誘電体層２１が積層されており、その誘電体層２１の上に電極層２０と誘電体層２１とが交互に積層されている。

各電極層２０は、導電性を有する金属材料または合金材料で構成されている。本実施形態では、電極層２０は、主にＮｉで構成されている。また、電極層２０は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｗ、Ｃｒ、Ｔａ及びＡｇからなる群より選ばれる少なくとも一種（以下、「添加元素」と記す。）、好ましくは、Ｐｄ、Ｉｒより選ばれる少なくとも一種を更に含有する。添加元素を含有することによって、電極層２０の途切れが防止されると共に、電極層２０の誘電体層２１との界面における酸化が抑制される。各電極層２０の膜厚Ｔは、たとえば１００〜２００ｎｍである。また、電極層２０の面積は、たとえば０．９×０．４ｍｍ^２程度である。本実施形態では、積層体２２に含まれる全ての電極層２０が実質的に同一厚さを有するように設計されている。

各誘電体層２１は、ＢａＴｉＯ_３（チタン酸バリウム）で構成されている。各誘電体層２１は、ＢａＴｉＯ_３の他、（Ｂａ_１−ｘＣａ_Ｘ）ＴｉＯ_３、（Ｂａ_１−ＸＳｒ_Ｘ）ＴｉＯ_３（チタン酸バリウムストロンチウム）、ＰｂＴｉＯ_３、Ｐｂ（Ｚｒ_ＸＴｉ_１−Ｘ）_３等のペロブスカイト構造を持った（強）誘電体材料や、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３等に代表される複合ペロブスカイトリラクサー型強誘電体材料や、Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２、ＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９等に代表されるビスマス層状化合物、（Ｓｒ_１−ＸＢａ_Ｘ）Ｎｂ_２Ｏ_６、ＰｂＮｂ_２Ｏ_６等に代表されるタングステンブロンズ型強誘電体材料等で構成することができる。ここで、これらのペロブスカイト構造、ペロブスカイトリラクサー型強誘電体材料、ビスマス層状化合物、タングステンブロンズ型強誘電体材料において、ＡサイトとＢサイト比は、通常整数比であるが、特性向上のため、意図的に整数比からずらしても良い。なお、誘電体層２１の特性制御のため、誘電体層２１に適宜、副成分として添加物質が含有されていてもよい。誘電体層２１の各膜厚は、たとえば１００〜２００ｎｍである。また、誘電体層２１の各面積は、たとえば０．９×０．５ｍｍ^２程度である。本実施形態では、積層体２２に含まれる全ての誘電体層２１が実質的に同一厚さを有するように設計されている。

また、複数の電極層２０は、複数の第１電極層２０Ａ（本実施形態では２層）と複数の第２電極層２０Ｂ（本実施形態では２層）とで構成されている。積層体２２では、第１電極層２０Ａと第２電極層２０Ｂとが誘電体層２１を介して交互に積層されている。本実施形態では、積層体２２の上側から順に第２電極層２０Ｂ、第１電極層２０Ａ、第２電極層２０Ｂ、第１電極層２０Ａと並んでいる。

さらに、積層体２２は、図１および図２に示すように、長辺方向における両端に、積層体２２の積層方向に対して傾いた斜面２２ａ、２２ｂを有する。斜面２２ａ、２２ｂのいずれも、長辺方向における端部に向かって漸次薄くなるように傾斜している。また、斜面２２ａ、２２ｂのいずれも、積層体２２の全層に亘って形成されている。積層体２２の下面に対する斜面２２ａ、２２ｂの傾斜角θは、積層方向から見たときの各電極層２０の幅Ｗが各電極層２０の膜厚Ｔより広くなるように設計されている。すなわち、斜面２２ａ、２２ｂの傾斜角θは４５度未満に設計されている。本実施形態では、斜面２２ａ、２２ｂの傾斜角θは、電極層２０の膜厚Ｔ：電極層２０の幅Ｗ＝１：１００〜１：２００程度となるように、４５度よりも顕著に狭い角度（θが１度前後）に設計されている。

斜面２２ａ、２２ｂには、図２に示すように、積層体２２の平面視において（すなわち、積層方向における上側から見て）電極層２０と誘電体層２１とが縞状に並んでいる。上述したとおり、各斜面２２ａ、２２ｂに露出している各電極層２０Ａ、２０Ｂの幅Ｗは、電極層２０Ａ、２０Ｂの膜厚Ｔより広くなっている。

積層体２２には、図３に示すように、積層体２２の上面全体を覆うように絶縁層２４が形成されている。すなわち、絶縁層２４は、積層体２２の両斜面２２ａ、２２ｂを覆っている。絶縁層２４は、複数の開口２６（本実施形態では４つ）を有する。複数の開口２６は、積層体２２の一方の斜面２２ａを覆う部分に設けられた複数の第１開口２６Ａ（本実施形態では２つ）と、他方の斜面２２ｂを覆う部分に設けられた複数の第２開口２６Ｂ（本実施形態では２つ）とで構成されている。第１開口２６Ａそれぞれは、複数の電極層２０のうちの第１電極層２０Ａの１層のみ露出するように設けられ、誘電体層２１を介して隣接する第２電極層２０Ｂは露出しないように設けられている。第２開口２６Ｂそれぞれは、複数の電極層２０のうちの第２電極層２０Ｂの１層のみ露出するように設けられ、誘電体層２１を介して隣接する第１電極層２０Ａは露出しないように設けられている。それにより、積層体２２を構成するいずれの電極層２０も絶縁層２４の開口２６から露出している。絶縁層２４は、たとえば、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、ノボラック系樹脂、アルミナ、酸化シリコン、窒化シリコン等の絶縁性材料で構成することができる。

さらに、絶縁層２４上には、図４に示すように、一対の引出電極２８が形成されている。一対の引出電極２８の一方の引出電極２８Ａ（第１引出電極）は、絶縁層２４の各第１開口２６Ａを覆うように形成されており、各第１開口２６Ａから露出した第１電極層２０Ａに接している。一対の引出電極２８の他方の引出電極２８Ｂ（第２引出電極）は、絶縁層２４の各第２開口２６Ｂを覆うように形成されており、各第２開口２６Ｂから露出した第２電極層２０Ｂに接している。そのため、積層体２２では、第１引出電極２８Ａと電気的に接続された第１電極層２０Ａと、第２引出電極２８Ｂと電気的に接続された第２電極層２０Ｂとが、誘電体層２１を介して交互に積層されている。

次に、図５、６を参照しつつ、上述した薄膜コンデンサ１を製造する製造方法について説明する。

薄膜コンデンサ１を製造する際には、まず、基板１０上に形成された積層体２２を準備する（図５（ａ））。積層体２２の誘電体層２１の形成は、ゾルゲル法やＭＯＤ法（有機金属化合物堆積法）等の溶液塗布焼成法、スパッタリング法等のＰＶＤ法又はＣＶＤ法等の成膜技術を用いることができる。これらの成膜技術のうち、特にスパッタリング法が好適に用いられる。上記の方法により形成された誘電体層２１は、一般的に誘電体がアモルファスの状態にある。積層体２２の電極層２０の形成には、ＤＣスパッタリング等を用いることができる。積層体２２は、基板１０上への誘電体層２１の形成と電極層２０の形成とを繰り返すことで得ることができ、本実施形態では、４層の電極層２０と５層の誘電体層２１とからなる積層体２２が形成される。

続いて、積層体２２の上面に感光性のレジスト３０を塗布形成する（図５（ｂ））。レジスト３０は均一厚さを有する。レジスト３０の感光には、たとえばグレーパターンマスク４０を用いる。グレーパターンマスク４０を用いる場合にはポジ型のレジストが採用され得る。グレーパターンマスク４０は、積層体２２の長辺方向における端部に向かうにつれて透過する光の量が漸次多くなるように構成されている。そのため、積層体２２の長辺方向における端部に向かうにつれて露光量が漸次多くなる。レジスト３０の感光は、レーザ光を用いた直接描画でおこなうこともできる。この場合も、積層体２２の長辺方向における端部においてレーザビームを照射する量を増加させることで、積層体２２の長辺方向における端部に向かうにつれて露光量が漸次多くなるようにすることができる。

なお、図５（ｂ）では、説明の便宜上、積層体２２の長辺方向における一方の端部についてのみ示しているが、積層体２２の長辺方向における両端部において同様の露光がおこなわれる。

次に、レジスト３０の現像をおこなう（図５（ｃ））。現像により、レジスト３０には斜面３０ａが形成される。斜面３０ａは、長辺方向における端部に向かってレジスト３０が漸次薄くなるように傾斜している。

そして、斜面３０ａが形成されたレジスト３０を用いて、積層体２２のエッチング処理をおこなう（図５（ｄ））。エッチング処理には、ドライエッチング（ＤｅｅｐＲＩＥ）を用いることができる。一例として、積層体２２の誘電体層２１のドライエッチングにはアルゴンガスが用いられ、積層体２２の電極層２０のドライエッチングにもアルゴンガスを用いられ得る。エッチング処理の結果、積層体２２には、積層方向に対して傾くとともに電極層２０と誘電体層２１とが縞状に並ぶ斜面２２ａ、２２ｂが形成される（図６（ａ））。このとき、各斜面２２ａ、２２ｂに露出している各電極層２０Ａ、２０Ｂの幅Ｗは、電極層２０Ａ、２０Ｂの膜厚Ｔより広くなっている。

さらに、積層体２２の各斜面２２ａ、２２ｂを絶縁層２４で覆う（図６（ｂ））。絶縁層２４は、フォトリソグラフィー法により形成した各種絶縁性樹脂、ＣＶＤ法やスパッタ法等により形成した酸化アルミナ、酸化シリコン、窒化シリコン等を用いることができる。絶縁層２４を形成する際には、積層体２２の斜面２２ａを覆う部分の絶縁層２４に第１開口２６Ａが形成され、積層体２２の斜面２２ｂを覆う部分の絶縁層２４に第２開口２６Ｂが形成されるようにパターニングされる。

最後に、絶縁層２４上に、第１開口２６Ａから露出した第１電極層２０Ａに接する第１引出電極２８Ａと、第２開口２６Ｂから露出した第２電極層２０Ｂに接する第２引出電極２８Ｂを、スパッタリングやＣＶＤで形成することで、上述した薄膜コンデンサ１が完成する。

以上において説明したとおり、上述した薄膜コンデンサ１は、複数の電極層２０と複数の誘電体層２１とを有し、電極層２０と誘電体層２１とが交互に積層され、かつ、積層方向に対して傾くとともに電極層２０と誘電体層２１とが縞状に並ぶ斜面２２ａ、２２ｂを有する積層体２２と、積層体２２の斜面２２ａ、２２ｂを覆うとともに、複数の電極層２０の一つが露出する開口２６を有する絶縁層２４と、絶縁層２４上に形成され、絶縁層２４の開口２６から露出した電極層２０に接する引出電極２８とを備え、斜面２２ａ、２２ｂにおいて絶縁層２４から露出する電極層２０は、積層方向から見たときの幅Ｗが膜厚Ｔより広くなっている。

このような薄膜コンデンサ１においては、積層体２２の斜面２２ａ、２２ｂに電極層２０と誘電体層２１とが縞状に並んでおり、該斜面２２ａ、２２ｂを覆う絶縁層２４の開口２６に引出電極２８が設けられている。そのため、薄膜コンデンサ１では、深さの異なる貫通孔を形成する必要がなく、簡素な構成が実現されている。その結果、製造工程における手間およびコストの削減も実現することができる。

また、斜面２２ａ、２２ｂにおいて絶縁層２４から露出する電極層２０は、積層方向から見たときの幅Ｗが膜厚Ｔより広くなっているため、絶縁層２４に開口２６を形成する際や引出電極２８を形成する際の位置制御が容易になる。すなわち、積層方向から見たときの幅Ｗが膜厚Ｔより狭い場合には、極めて高い位置制御が求められるため、その位置制御を実現するために多くの手間とコストが必要となる。薄膜コンデンサ１では、縞状に露出する電極層２０の拡幅が図られており、上記位置制御が容易化されており、実用上十分な程度に手間とコストが抑えられている。

また、薄膜コンデンサ１では、複数の電極層２０が、複数の第１電極層２０Ａと複数の第２電極層２０Ｂとを含み、積層体２２において第１電極層２０Ａと第２電極層２０Ｂとが誘電体層２１を介して交互に積層されている。そして、絶縁層２４は、第１電極層２０Ａおよび第２電極層２０Ｂのうちの第１電極層２０Ａのみを露出する複数の第１開口２６Ａおよび第２電極層２０Ｂのみを露出する複数の第２開口２６Ｂを有する。絶縁層２４の第１開口２６Ａから露出した複数の第１電極層２０Ａは第１引出電極２８Ａと接し、絶縁層２４の第２開口２６Ｂから露出した複数の第２電極層２０Ｂは第２引出電極２８Ｂと接する。この場合、一対の引出電極２８（すなわち、第１引出電極２８Ａおよび第２引出電極２８Ｂ）を用いて、複数の第１電極層２０Ａおよび複数の第２電極層２０Ｂを効率良く引き出すことができる。

さらに、薄膜コンデンサ１では、斜面２２ａ、２２ｂが積層体２２の全層に亘って形成されており、絶縁層２４が、第１電極層２０Ａと同数の第１開口２６Ａおよび第２電極層２０Ｂと同数の第２開口２６Ｂを有している。この場合、積層体２２の電極層２０の数が多い場合であっても一対の引出電極２８（すなわち、第１引出電極２８Ａおよび第２引出電極２８Ｂ）で足り、引出電極の数を増やす必要がない。引出電極の数が増えると、特に積層数の多い薄膜コンデンサを作製する場合において、引出電極の形成領域を容量部として用いることができないため、容量が著しく低下してしまう。加えて、引出電極の数が増えると、製造工程における手間とコストが増えてしまう。

なお、薄膜コンデンサは、上述した形態に限らず、様々に変更可能である。

たとえば、上述した絶縁層２４に代えて、図７に示す薄膜コンデンサ１Ａのように、積層体２２の一つの斜面２２ａを覆う部分に、第１開口２６Ａおよび第２開口２６Ｂの両方が設けられた絶縁層２４Ａを用いることもできる。この場合、絶縁層２４Ａ上には、斜面２２ａに並ぶようにして第１引出電極２８Ａおよび第２引出電極２８Ｂが設けられる。この場合、積層体２２は、一つの斜面のみ有していればよく、複数の斜面を必要としない。

また、斜面は、必ずしも積層体の全層に亘って形成される必要はなく、部分的に形成された態様であってもよい。

さらに、斜面の位置は、必ずしも積層体の端部である必要はなく、積層体の中央部であってもよい。斜面が積層体の中央部に位置する場合には、電極層と誘電体層とで環状の縞を呈する斜面（たとえば、同心円の環状の縞を呈する斜面）が形成され得る。

また、絶縁層の開口は、必ずしも複数設ける必要はなく、１つであってもよい。引出電極についても、必ずしも一対設ける必要はなく、１つであってもよい。

１、１Ａ…薄膜コンデンサ、２０…電極層、２０Ａ…第１電極層、２０Ｂ…第２電極層、２１…誘電体層、２２…積層体、２２ａ、２２ｂ…斜面、２４、２４Ａ…絶縁層、２６…開口、２６Ａ…第１開口、２６Ｂ…第２開口、２８…引出電極、２８Ａ…第１引出電極、２８Ｂ…第２引出電極。

Claims (4)

1. 複数の電極層と複数の誘電体層とを有し、前記電極層と前記誘電体層とが交互に積層され、かつ、積層方向に対して傾くとともに前記電極層と前記誘電体層とが縞状に並ぶ斜面を有する積層体と、
   前記積層体の前記斜面を覆うとともに、前記複数の電極層の一つが露出する開口を有する絶縁層と、
   前記絶縁層上に形成され、前記絶縁層の開口から露出した前記電極層に接する引出電極と
   を備え、
   前記斜面において前記絶縁層から露出する前記電極層は、前記積層方向から見たときの幅が膜厚より広い、薄膜コンデンサ。
2. 前記複数の電極層が、複数の第１電極層と複数の第２電極層とを含み、
   前記積層体において前記第１電極層と前記第２電極層とが前記誘電体層を介して交互に積層されており、
   前記絶縁層が、前記第１電極層および前記第２電極層のうちの前記第１電極層のみを露出する複数の第１開口および前記第２電極層のみを露出する複数の第２開口を有し、
   前記絶縁層の第１開口から露出した複数の前記第１電極層に接する第１引出電極と、前記絶縁層の第２開口から露出した複数の前記第２電極層に接する第２引出電極とを有する、請求項１に記載の薄膜コンデンサ。
3. 前記斜面が前記積層体の全層に亘って形成されており、
   前記絶縁層が、前記第１電極層と同数の前記第１開口および前記第２電極層と同数の前記第２開口を有する、請求項２に記載の薄膜コンデンサ。
4. 複数の電極層と複数の誘電体層とを有し、前記電極層と前記誘電体層とが交互に積層された積層体を準備する工程と、
   前記積層体に、積層方向に対して傾くとともに前記電極層と前記誘電体層とが縞状に並ぶ斜面を形成する工程と、
   前記積層体の前記斜面を、前記複数の電極層の一つが露出する開口を有する絶縁層で覆う工程と、
   前記絶縁層上に、前記絶縁層の開口から露出した前記電極層に接する引出電極を形成する工程と
   を含み、
   前記斜面を形成する工程で、前記絶縁層の開口から露出する前記電極層の前記積層方向から見たときの幅を膜厚より広くする、薄膜コンデンサの製造方法。