JP2020161791A - Dielectric thin film element, electronic component and electronic circuit board - Google Patents

Dielectric thin film element, electronic component and electronic circuit board Download PDF

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大槻 史朗
Shiro Otsuki
史朗 大槻
和子 ▲高▼橋
和子 ▲高▼橋
Kazuko Takahashi
祥典 原田
Yoshinori Harada
祥典 原田
翔太 鈴木
Shota Suzuki
翔太 鈴木
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Abstract

To provide a dielectric thin film element, an electronic component, and an electronic circuit board in which both of DC bias characteristics and withstand voltage characteristics are compatible with each other.SOLUTION: A dielectric thin film element 200 includes: a dielectric film 40 containing an oxide which contains (1) Bi and Ti, (2) at least one element selected from the group consisting of Na and K, and (3) at least one element selected from the group consisting Ba, Sr, and Ca, and has a perovskite structure; a lower electrode 30 provided on a lower surface 40a of the dielectric film 40; and a nickel oxide layer 35 interposed between the dielectric film 40 and the lower electrode 30.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、誘電体薄膜素子、電子部品及び電子回路基板に関する。 The present invention relates to dielectric thin film devices, electronic components and electronic circuit boards.

電子機器内に許容される電子部品の実装スペースは、電子機器の小型化と共に縮小の傾向にある。キャパシタ(我が国では多くの場合「コンデンサ」と称する。)は、多くの電子機器に搭載される電子部品であるところ、やはり小型化や薄型化が必須である。薄膜キャパシタは、従来の厚膜法による積層セラミックキャパシタと比べ、基材、誘電体膜、絶縁膜等が薄く、より薄型化・低背化が可能である。そのため、薄膜キャパシタは低背かつ小スペースへ実装される電子部品として期待されている。さらに、電子部品基板に埋め込むといったキャパシタも近年になり開発されてきている。 The mounting space for electronic components allowed in an electronic device tends to shrink as the electronic device becomes smaller. Capacitors (often referred to as "capacitors" in Japan) are electronic components that are mounted on many electronic devices, and it is essential that they be made smaller and thinner. The thin film capacitor has thinner base material, dielectric film, insulating film, etc. than the conventional laminated ceramic capacitor by the thick film method, and can be made thinner and thinner. Therefore, thin film capacitors are expected as electronic components to be mounted in a small space with a low profile. Further, capacitors embedded in electronic component boards have been developed in recent years.

薄膜キャパシタは従来からある積層セラミックキャパシタと比較して電気容量が小さいものが多かった。電気容量の向上の方法の一つとして、誘電体層の膜厚を薄くする方法がある。しかしながら、誘電体膜の膜厚を薄くすると、実際の使用時に誘電体膜の両端に印加される直流電圧が同じであっても、誘電体膜に印加される直流電界強度が大きくなる。そして、BaTiOなどの強誘電体に比誘電率は、直流電界強度が高くなるほど低下するといういわゆるDCバイアス特性を有しているため、膜厚を薄くしても電気容量を向上できない。 Many thin-film capacitors have a smaller electrical capacity than conventional multilayer ceramic capacitors. One of the methods for improving the electric capacity is to reduce the film thickness of the dielectric layer. However, when the film thickness of the dielectric film is reduced, the DC electric field strength applied to the dielectric film increases even if the DC voltage applied to both ends of the dielectric film during actual use is the same. Since a ferroelectric substance such as BaTiO 3 has a so-called DC bias characteristic that the relative permittivity decreases as the DC electric field strength increases, the electric capacity cannot be improved even if the film thickness is reduced.

また、誘電体膜の膜厚を薄くすることによって、直流電界強度が大きくなると、電界による素子破壊の恐れが大きくなるため、高い耐電圧特性も要求される。 Further, if the DC electric field strength is increased by reducing the film thickness of the dielectric film, the risk of element destruction due to the electric field increases, so that high withstand voltage characteristics are also required.

特許文献1には、誘電体膜に、K、Sr、MgおよびNbを含むタングステンブロンズ型複合酸化物を用いることにより、DCバイアス特性を向上させることが開示されている。 Patent Document 1 discloses that the DC bias characteristic is improved by using a tungsten bronze type composite oxide containing K, Sr, Mg and Nb for the dielectric film.

しかしながら、特許文献1では、比較的低い直流電界強度(3〜5V/μm)のデータのみ示されており、誘電体膜をより薄くしたり直流電圧をより高くしたりするためには、より高い直流電界強度への対応が望まれる。 However, Patent Document 1 shows only the data of relatively low DC electric field strength (3 to 5 V / μm), which is higher in order to make the dielectric film thinner or increase the DC voltage. Correspondence to DC electric field strength is desired.

特許文献2には、Bi,Na,SrおよびTiを含むペロブスカイト型の結晶構造を有する粒子を含む誘電体組成物が開示されている。また、特許文献2には、誘電体組成物に含まれる粒子の少なくとも一部がコア部とシェル部とからなるコアシェル構造を有し、コア部に存在するBiの含有率とシェル部に存在するBiの含有率の比率とを規定することにより、DCバイアス特性を向上させることが開示されている。しかしながら、引用文献2では、比較的低い直流電界強度(8V/μmまで)のデータのみ示されており、より高い直流電界強度への対応が望まれる。また、引用文献2に示されているコアシェル構造を薄膜において形成することは困難であるため、コアシェル構造とは別の手段でDCバイアス特性を向上させることが望まれる。 Patent Document 2 discloses a dielectric composition containing particles having a perovskite-type crystal structure containing Bi, Na, Sr and Ti. Further, in Patent Document 2, at least a part of the particles contained in the dielectric composition has a core-shell structure including a core portion and a shell portion, and the Bi content in the core portion and the shell portion are present. It is disclosed that the DC bias characteristic is improved by defining the ratio of the Bi content. However, in Cited Document 2, only the data of relatively low DC electric field strength (up to 8 V / μm) is shown, and it is desired to cope with higher DC electric field strength. Further, since it is difficult to form the core-shell structure shown in Cited Document 2 in a thin film, it is desired to improve the DC bias characteristic by a means different from the core-shell structure.

特許文献3には、表面にTi元素を有する導電性の基板上に、水熱合成法で形成されたBa1−xCaZrTi1−y(但し、0<x<0.2、0<y<1)で表わされる誘電体薄膜を設けることにより、高い比誘電率と高い耐電圧特性を実現することが開示されている。特許文献3では、BaとCaの比と、ZrとTiの比を制御することによって膜を緻密化し、高い比誘電率と高い絶縁耐圧を実現している。しかしながら、特許文献3では、DCバイアス特性については全く言及されておらず、かつ、耐電圧特性についても40kV/mm(40V/μm)までしか示されておらず、市場要求を満足するに至っていない。 Patent Document 3, a conductive substrate having a Ti element on the surface, Ba formed by hydrothermal synthesis method 1-x Ca x Zr y Ti 1-y O 3 ( where, 0 <x <0. It is disclosed that a high relative permittivity and a high withstand voltage characteristic are realized by providing a dielectric thin film represented by 2.0 <y <1). In Patent Document 3, the film is densified by controlling the ratio of Ba to Ca and the ratio of Zr to Ti, and a high relative permittivity and a high dielectric strength are realized. However, in Patent Document 3, the DC bias characteristic is not mentioned at all, and the withstand voltage characteristic is also shown only up to 40 kV / mm (40 V / μm), which does not satisfy the market demand. ..

特開2000−49045号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-49045 国際公開2017/012800号International release 2017/012800 特開2000−173349号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-173349

特許文献1〜3のいずれにおいても、耐電圧特性とDCバイアス特性とを両立できているわけでは無い。 In all of Patent Documents 1 to 3, the withstand voltage characteristic and the DC bias characteristic cannot be compatible with each other.

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであって、DCバイアス特性及び耐電圧特性を両立可能な誘電体薄膜素子、電子部品及び電子回路基板を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a dielectric thin film element, an electronic component, and an electronic circuit board capable of achieving both DC bias characteristics and withstand voltage characteristics.

本発明の一形態に係る誘電体薄膜素子は、(1)Bi、及び、Ti、(2)Na及びKからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素、及び、(3)Ba、Sr、及び、Caからなる群から選択される少なくとも一つの元素を含み、ペロブスカイト構造を有する酸化物を含む誘電体膜と、誘電体膜の一方面に設けられた第1の電極膜と、誘電体膜と第1の電極膜との間に介在する酸化ニッケル層とを備える。他の形態に係る誘電体薄膜素子では、酸化ニッケル層の厚さが30nm以下である。 The dielectric thin film element according to one embodiment of the present invention includes at least one element selected from the group consisting of (1) Bi and Ti, (2) Na and K, and (3) Ba, Sr, and. A dielectric film containing at least one element selected from the group consisting of Ca and containing an oxide having a perovskite structure, a first electrode film provided on one surface of the dielectric film, a dielectric film and a first It is provided with a nickel oxide layer interposed between the electrode film of 1. In the dielectric thin film device according to another form, the thickness of the nickel oxide layer is 30 nm or less.

本発明の一形態に係る電子部品は、上記誘電体薄膜素子を備える。他の形態に係る電子部品は、誘電体膜の他方面に設けられた第2の電極膜をさらに備える。 The electronic component according to one embodiment of the present invention includes the dielectric thin film element. Electronic components according to other forms further include a second electrode film provided on the other side of the dielectric film.

本発明の一形態に係る電子回路基板は、上記誘電体薄膜素子を備える。 The electronic circuit board according to one embodiment of the present invention includes the dielectric thin film element.

他の形態に係る電子回路基板は、上記電子部品を備える。 The electronic circuit board according to another form includes the above-mentioned electronic components.

本発明によれば、DCバイアス特性及び耐電圧特性を両立可能な誘電体薄膜素子、電子部品及び電子回路基板が提供される。 According to the present invention, a dielectric thin film element, an electronic component, and an electronic circuit board capable of achieving both DC bias characteristics and withstand voltage characteristics are provided.

図1は、本実施形態に係る電子部品の一例に係る薄膜キャパシタの模式的な断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a thin film capacitor according to an example of an electronic component according to the present embodiment. 図2は、図1とは異なる形態の薄膜キャパシタの模式的な断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a thin film capacitor having a form different from that of FIG. 図3中の(a)は、一実施形態に係る電子回路基板の模式的な断面図であり、図3中の(b)は、図3中の(a)に示される部分90Aの拡大図である。FIG. 3A is a schematic cross-sectional view of an electronic circuit board according to an embodiment, and FIG. 3B is an enlarged view of a portion 90A shown in FIG. 3A. Is.

以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

(誘電体膜)
本発明の実施形態に係る誘電体膜は、ペロブスカイト構造を有する酸化物を含む。
(Dielectric film)
The dielectric film according to the embodiment of the present invention contains an oxide having a perovskite structure.

この酸化物は下記の(1)〜(3)を含む。
(1)Bi、及び、Ti、
(2)Na及びKからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素E1
(3)Ba、Sr、及び、Caからなる群から選択される少なくとも一つの元素E2
上記酸化物は、Bi及び元素E1の原子数の合計:元素E2の原子数の合計が30:70〜90:10となるように調整され得る。
This oxide includes the following (1) to (3).
(1) Bi and Ti,
(2) At least one element E1 selected from the group consisting of Na and K
(3) At least one element E2 selected from the group consisting of Ba, Sr, and Ca.
The oxide can be adjusted so that the total number of atoms of Bi and the element E1: the total number of atoms of the element E2 is 30:70 to 90:10.

元素E1は、Na及びKからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であればよく、例えば、Naのみ、又は、Kのみでもよく、Na及びKの組み合わせなどの複数の元素の組み合わせでもよい。元素E1が2種以上の元素を含む場合の比率は任意である。 The element E1 may be at least one element selected from the group consisting of Na and K, and may be, for example, Na alone or K only, or a combination of a plurality of elements such as a combination of Na and K. The ratio when the element E1 contains two or more kinds of elements is arbitrary.

元素E2は、Ba、Sr、及び、Caのうちの少なくとも一つであればよく、例えば、Baのみ、Srのみ、または、Caのみでもよく、Ba及びSrの組み合わせ、Ba及びCaの組み合わせ、及び、Sr及びCaの組み合わせでもよく、さらに、Ba,Sr、及びCaの全部の組み合わせでもよい。元素E2が2種以上の元素を含む場合の比率は任意である。 The element E2 may be at least one of Ba, Sr, and Ca, for example, Ba only, Sr only, or Ca only, a combination of Ba and Sr, a combination of Ba and Ca, and , Sr and Ca, or all combinations of Ba, Sr, and Ca. The ratio when the element E2 contains two or more kinds of elements is arbitrary.

上記酸化物は、本実施形態において、Bi、Ba、Sr、及び、Caの原子数の合計に対するBi、Ba、Sr、及び、Caの原子数の比を、それぞれ、XBi、XBa、XSr、及び、XCaと表した場合に、0.2≦XBi/(XBa+XSr+XCa)≦5を満たす。上限は4.5以下が好ましく、4以下がより好ましい。 In the present embodiment, the above oxides have the ratios of the atomic numbers of Bi, Ba, Sr, and Ca to the total atomic numbers of Bi, Ba, Sr, and Ca, respectively, X Bi , X Ba , and X, respectively. When expressed as Sr and X Ca , 0.2 ≦ X Bi / (X Ba + X Sr + X Ca ) ≦ 5 is satisfied. The upper limit is preferably 4.5 or less, and more preferably 4 or less.

ペロブスカイト構造とは一般にABXで表される結晶構造である。Aサイトの陽イオンが6面体の単位格子の頂点に位置し、この単位格子の体心にBサイトの陽イオンが位置し、この単位格子の面心にXサイトの陰イオンが位置する。本発明では、AサイトにBa2+,Sr2+、Ca2+、Bi3+、Na及びKなどの陽イオン(2価、又は、1価と3価の組み合わせ)が入り、BサイトにTi4+イオンなどの4価の陽イオンが入り、XサイトにO2−イオンなどの2価の陰イオンが入る。 The perovskite structure is a crystal structure generally represented by ABX 3 . The A-site cation is located at the apex of the hexahedral unit cell, the B-site cation is located at the body center of this unit cell, and the X-site anion is located at the face center of this unit cell. In the present invention, cations (bivalent or a combination of monovalent and trivalent) such as Ba 2+ , Sr 2+ , Ca 2+ , Bi 3+ , Na + and K + are contained in the A site, and Ti 4+ is contained in the B site. A tetravalent cation such as an ion enters, and a divalent anion such as an O 2- ion enters the X site.

上記酸化物は、誘電体膜の70質量%以上を占めてよく、80質量%以上、90質量%以上、95質量%以上、99質量%以上を占めてよく、100質量%を占めてもよい。 The oxide may occupy 70% by mass or more of the dielectric film, 80% by mass or more, 90% by mass or more, 95% by mass or more, 99% by mass or more, or 100% by mass. ..

誘電体膜の厚みに限定はないが、例えば、10nm〜2000nmとすることができ、50nm〜1000nmであることが好適である。 The thickness of the dielectric film is not limited, but can be, for example, 10 nm to 2000 nm, preferably 50 nm to 1000 nm.

このような誘電体膜は、DCバイアス特性および耐電圧特性の両方に優れる。この理由は明らかでないが、発明者らは、以下のように考えている。 Such a dielectric film is excellent in both DC bias characteristics and withstand voltage characteristics. The reason for this is not clear, but the inventors think as follows.

ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物における比誘電率の発現は、電圧に対する、各元素のイオンの変位に起因するものであり、電圧が強いとイオンの変位が飽和することで、DCバイアスによる比誘電率の低下がおこる。ペロブスカイト型結晶構造のイオンの変位には、AサイトとBサイトのイオンと、酸素のイオンの結合の組合せが重要であり、Biイオンと酸素イオン、および、Tiイオンと酸素イオンとの結合の組合せにより、イオンの変位が飽和するDCバイアスの大きさが、大きくなっていると考えている。 The expression of the relative permittivity in an oxide having a perovskite-type crystal structure is due to the displacement of the ions of each element with respect to the voltage. When the voltage is strong, the displacement of the ions is saturated, and the ratio due to DC bias. The dielectric constant decreases. The combination of the A-site and B-site ions and the oxygen ion bond is important for the ion displacement of the perovskite crystal structure, and the combination of the Bi ion and oxygen ion and the Ti ion and oxygen ion bond. Therefore, it is considered that the magnitude of the DC bias that saturates the displacement of the ions is increased.

また、Bi、TiおよびNa(または、K)を含有するペロブスカイト構造の酸化物のキュリー点は約300℃であるが、Ba、Sr、および、Caの中から選ばれる少なくとも1種を含むことで、Bi、TiおよびNaを含有するペロブスカイト型酸化物のキュリー点が室温付近に近づくことにより、比誘電率の絶対値が高くなり、DCバイアス印加時の比誘電率も大きくなると考えている。 Further, the Curie point of the oxide having a perovskite structure containing Bi, Ti and Na (or K) is about 300 ° C., but by containing at least one selected from Ba, Sr, and Ca. , Bi, Ti and Na-containing perovskite-type oxides are considered to have a higher absolute value of relative permittivity and a higher relative permittivity when DC bias is applied as the Curie point approaches room temperature.

また、本実施形態に係る誘電体膜は、上記酸化物以外に、本発明の効果を奏する範囲内において、微量な不純物、副成分等を含んでいてもよい。このような成分としては、たとえば、Cr、Mo等が例示される。また、本実施形態に係る誘電体膜は、Sc(スカンジウム)、Y(イットリウム)、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Pr(プラセオジム)、Nd(ネオジム)、Pm(プロメチウム)、Sm(サマリウム)、Eu(ユーロピウム)、Gd(ガドリニウム)、Tb(テルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Ho(ホルミウム)、Er(エルビウム)、Tm(ツリウム)、Yb(イッテルビウム)及びLu(ルテチウム)からなる群より選ばれる少なくとも一種の希土類元素を更に含んでよい。誘電体膜が希土類元素を更に含むことにより、誘電体膜のDCバイアス特性が向上し易い。 In addition to the above oxides, the dielectric film according to the present embodiment may contain trace impurities, subcomponents, and the like within the range in which the effects of the present invention are exhibited. Examples of such a component include Cr, Mo and the like. Further, the dielectric film according to the present embodiment includes Sc (scandium), Y (yttrium), La (lantern), Ce (cerium), Pr (placeodium), Nd (neodymium), Pm (promethium), Sm (samarium). ), Eu (Europium), Gd (Gadolinium), Tb (Terbium), Dy (Dysprosium), Ho (Holmium), Er (Elbium), Tm (Thulium), Yb (Yttrium) and Lu (Lutetium). It may further contain at least one rare earth element of choice. Since the dielectric film further contains rare earth elements, the DC bias characteristics of the dielectric film can be easily improved.

上記の誘電体膜は、本実施形態では、公知の成膜法により形成された薄膜状の誘電体堆積膜である。 In the present embodiment, the above-mentioned dielectric film is a thin-film dielectric deposition film formed by a known film forming method.

(薄膜キャパシタ)
続いて、図1を参照して、本発明の実施形態に係る誘電体膜を有する電子部品の一例として薄膜キャパシタを説明する。
(Thin film capacitor)
Subsequently, with reference to FIG. 1, a thin film capacitor will be described as an example of an electronic component having a dielectric film according to an embodiment of the present invention.

本発明の実施形態に係る薄膜キャパシタ100は、基板10、密着膜20、下部電極30、酸化ニッケル層35、誘電体膜40、及び、上部電極50をこの順に有する。 The thin film capacitor 100 according to the embodiment of the present invention has a substrate 10, an adhesive film 20, a lower electrode 30, a nickel oxide layer 35, a dielectric film 40, and an upper electrode 50 in this order.

(基板)
基板10は、その上に形成される密着膜20、下部電極30、酸化ニッケル層35、誘電体膜40および上部電極50を支持する。基板10の材料は、上記の各層を支持できる程度の機械的強度を有する材料であれば特に限定されない。基板10の例は、Si単結晶、SiGe単結晶、GaAs単結晶、InP単結晶、SrTiO単結晶、MgO単結晶、LaAlO単結晶、ZrO単結晶、MgAl単結晶、NdGaO単結晶等の単結晶基板;Al多結晶、ZnO多結晶、SiO多結晶等のセラミック多結晶基板;及び、Ni、Cu、Ti、W、Mo、Al、Pt及びこれらの合金から選択される金属基板である。低コスト、及び、加工性等の観点から、Si単結晶基板が好適である。
(substrate)
The substrate 10 supports the adhesion film 20, the lower electrode 30, the nickel oxide layer 35, the dielectric film 40, and the upper electrode 50 formed on the substrate 10. The material of the substrate 10 is not particularly limited as long as it has a mechanical strength sufficient to support each of the above layers. Examples of the substrate 10 are Si single crystal, SiGe single crystal, GaAs single crystal, InP single crystal, SrTIO 3 single crystal, MgO single crystal, LaAlO 3 single crystal, ZrO 2 single crystal, MgAl 2 O 4 single crystal, NdGaO 3 Single crystal substrate such as single crystal; ceramic polycrystal substrate such as Al 2 O 3 polycrystal, ZnO polycrystal, SiO 2 polycrystal; and from Ni, Cu, Ti, W, Mo, Al, Pt and alloys thereof. The metal substrate of choice. A Si single crystal substrate is preferable from the viewpoint of low cost and workability.

基板10の厚みは、たとえば、10μm〜5000μmであることができる。厚みが小さすぎると、機械的強度が確保できない場合が生じることがあり、厚みが大きすぎると、電子部品の小型化に寄与できないといった問題が生じる場合がある。 The thickness of the substrate 10 can be, for example, 10 μm to 5000 μm. If the thickness is too small, mechanical strength may not be ensured, and if the thickness is too large, there may be a problem that it cannot contribute to the miniaturization of electronic components.

上記の基板10は、基板の材質によってその電気抵抗率が異なる。電気抵抗率が低い材料で基板を構成する場合、薄膜キャパシタの作動時に基板10側への電流のリークが生じ、薄膜キャパシタの電気特性に影響を及ぼすことがある。そのため、基板10の電気抵抗率が低い場合には、その表面に電気絶縁処理を施し、キャパシタ作動時の電流が基板10へ流れないようにすることが好ましい。 The electrical resistivity of the above-mentioned substrate 10 differs depending on the material of the substrate. When the substrate is made of a material having a low electrical resistivity, a current leak to the substrate 10 side during operation of the thin film capacitor may occur, which may affect the electrical characteristics of the thin film capacitor. Therefore, when the electrical resistivity of the substrate 10 is low, it is preferable to perform an electrical insulation treatment on the surface thereof so that the current during the operation of the capacitor does not flow to the substrate 10.

たとえば、基板10がSi単結晶基板である場合においては、基板10の表面に絶縁膜が形成されていることが好ましい。基板10と下部電極30との絶縁が十分に確保されていれば、絶縁膜を構成する材料およびその厚みは特に限定されない。絶縁膜を構成する材料の例は、SiO、Al、Siである。また、絶縁膜の厚みは、0.01μm以上であることが好ましい。絶縁膜は、基板10における密着膜20側(下部電極30側)に設けられることが好ましい。絶縁膜は、熱酸化法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等の公知の成膜法により形成できる。 For example, when the substrate 10 is a Si single crystal substrate, it is preferable that an insulating film is formed on the surface of the substrate 10. As long as sufficient insulation between the substrate 10 and the lower electrode 30 is ensured, the material constituting the insulating film and its thickness are not particularly limited. Examples of materials constituting the insulating film are SiO 2 , Al 2 O 3 , and Si 3 N x . The thickness of the insulating film is preferably 0.01 μm or more. The insulating film is preferably provided on the adhesion film 20 side (lower electrode 30 side) of the substrate 10. The insulating film can be formed by a known film forming method such as a thermal oxidation method or a CVD (Chemical Vapor Deposition) method.

(密着膜)
密着膜20は、基板10と下部電極30との間に設けられ、基板10と下部電極30との密着性を向上させる。密着膜20の材料は、基板10と下部電極30との密着性が十分に確保できる材料であれば特に制限されない。たとえば、本実施形態のように下部電極30がNiで構成されている場合には、密着膜20はTiで構成されていてもよい。密着膜20の厚みは、例えば、5〜50nmとすることができる。
(Adhesion film)
The adhesion film 20 is provided between the substrate 10 and the lower electrode 30, and improves the adhesion between the substrate 10 and the lower electrode 30. The material of the adhesion film 20 is not particularly limited as long as the material can sufficiently secure the adhesion between the substrate 10 and the lower electrode 30. For example, when the lower electrode 30 is made of Ni as in the present embodiment, the adhesive film 20 may be made of Ti. The thickness of the adhesive film 20 can be, for example, 5 to 50 nm.

(下部電極)
基板10の上には、密着膜20を介して、下部電極30(第1の電極膜)が薄膜状に形成されている。下部電極30は、上部電極50とともに誘電体膜40を挟み、キャパシタとして機能させるための電極である。下部電極30は、誘電体膜40の下面40a(一方面)に設けられている。下部電極30は、一例としてNiで構成されている。下部電極30を構成する材料は、導電性を有する材料であれば特に制限されず、Pt、Ru、Rh、Pd、Ir、Au、Ag、Cu、Ni等の金属、それらの合金、又は、導電性酸化物であってもよい。下部電極30の厚みは、電極として機能する程度の厚みであれば特に制限されない。下部電極30の厚みは10nm以上であることが好ましく、薄膜化の観点から300nm以下であることが好適である。
(Lower electrode)
A lower electrode 30 (first electrode film) is formed in a thin film on the substrate 10 via an adhesive film 20. The lower electrode 30 is an electrode that sandwiches the dielectric film 40 together with the upper electrode 50 and functions as a capacitor. The lower electrode 30 is provided on the lower surface 40a (one side) of the dielectric film 40. The lower electrode 30 is made of Ni as an example. The material constituting the lower electrode 30 is not particularly limited as long as it is a conductive material, and is a metal such as Pt, Ru, Rh, Pd, Ir, Au, Ag, Cu, Ni, an alloy thereof, or conductivity. It may be a sex oxide. The thickness of the lower electrode 30 is not particularly limited as long as it functions as an electrode. The thickness of the lower electrode 30 is preferably 10 nm or more, and preferably 300 nm or less from the viewpoint of thinning.

(酸化ニッケル層)
下部電極30の上には、酸化ニッケル層35が形成されている。酸化ニッケル層35は、下部電極30と誘電体膜40との間に介在している。酸化ニッケル層35は、NiOで構成されている。酸化ニッケル層35は、下部電極30と誘電体膜40との界面に歪を生じさせ、歪んだ層が耐圧を高める高耐圧層として機能する。当該高耐圧層に薄膜キャパシタ100に印加される電圧の一部がかかることで、誘電体膜40にかかる電圧が緩和され、その結果、薄膜キャパシタ100の耐電圧が向上すると考えられる。
(Nickel oxide layer)
A nickel oxide layer 35 is formed on the lower electrode 30. The nickel oxide layer 35 is interposed between the lower electrode 30 and the dielectric film 40. The nickel oxide layer 35 is made of NiO. The nickel oxide layer 35 causes distortion at the interface between the lower electrode 30 and the dielectric film 40, and the distorted layer functions as a high pressure resistant layer for increasing the pressure resistance. It is considered that the voltage applied to the dielectric film 40 is relaxed by applying a part of the voltage applied to the thin film capacitor 100 to the high withstand voltage layer, and as a result, the withstand voltage of the thin film capacitor 100 is improved.

酸化ニッケル層35の厚みは、耐電圧の観点からは厚いほうが好ましい。酸化ニッケル層35の厚みの上限に関しては、比誘電率の観点からは30nm以下であることが好ましい。酸化ニッケル層35の厚みの下限に関しては、3nm以上であってもよい。酸化ニッケル層35の厚みは、酸化ニッケル層35を含む薄膜キャパシタ100を、FIB(集束イオンビーム)加工装置で薄片サンプルに加工し、薄片サンプルをTEM(透過型電子顕微鏡)で観察して測定することができる。 The thickness of the nickel oxide layer 35 is preferably thick from the viewpoint of withstand voltage. The upper limit of the thickness of the nickel oxide layer 35 is preferably 30 nm or less from the viewpoint of the relative permittivity. The lower limit of the thickness of the nickel oxide layer 35 may be 3 nm or more. The thickness of the nickel oxide layer 35 is measured by processing the thin film capacitor 100 including the nickel oxide layer 35 into a flaky sample with a FIB (focused ion beam) processing device and observing the flaky sample with a TEM (transmission electron microscope). be able to.

酸化ニッケル層35は、下部電極30上の形成領域の全面に亘る連続膜の形態であってもよく、任意断面において下部電極30を70%以上覆う不連続膜の形態であってもよい。 The nickel oxide layer 35 may be in the form of a continuous film covering the entire surface of the formed region on the lower electrode 30, or may be in the form of a discontinuous film covering 70% or more of the lower electrode 30 in an arbitrary cross section.

(誘電体膜)
誘電体膜40は、上述した誘電体膜である。誘電体膜40を構成する酸化物の一例は、(Bi0.5Na0.5)TiO−SrTiOである。上述のように、誘電体膜40の厚みは、10nm〜2000nmとすることができ、好ましくは50nm〜1000nmである。誘電体膜40の厚みは、酸化ニッケル層35の厚みより厚く設計してもよい。誘電体膜40の厚みは、誘電体膜40を含む薄膜キャパシタ100を、FIB加工装置で薄片サンプルに加工し、薄片サンプルをTEMで観察して測定することができる。
(Dielectric film)
The dielectric film 40 is the above-mentioned dielectric film. An example of the oxide constituting the dielectric film 40 is (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 3- SrTiO 3 . As described above, the thickness of the dielectric film 40 can be 10 nm to 2000 nm, preferably 50 nm to 1000 nm. The thickness of the dielectric film 40 may be designed to be thicker than the thickness of the nickel oxide layer 35. The thickness of the dielectric film 40 can be measured by processing the thin film capacitor 100 including the dielectric film 40 into a flaky sample with a FIB processing device and observing the flaky sample with a TEM.

(上部電極)
誘電体膜40の上には、上部電極50(第2の電極膜)が薄膜状に形成されている。上部電極50は、上述した下部電極30とともに、誘電体膜40を挟み、キャパシタとして機能させるための電極である。上部電極50は、誘電体膜40の上面40b(他方面)に設けられている。
(Upper electrode)
An upper electrode 50 (second electrode film) is formed in a thin film on the dielectric film 40. The upper electrode 50 is an electrode that sandwiches the dielectric film 40 together with the lower electrode 30 described above and functions as a capacitor. The upper electrode 50 is provided on the upper surface 40b (the other surface) of the dielectric film 40.

上部電極50の材料は、導電性を有する材料であれば特に制限されない。材料の例は、Pt、Ru、Rh、Pd、Ir、Au、Ag、Cu、Ni等の金属、それらの合金、又は、導電性酸化物であり、下部電極30の材料と同一であっても良いし、異なっていてもよい。上部電極50は、本実施形態ではNiで構成されている。上部電極50の厚みは、下部電極30と同様にすることができる。 The material of the upper electrode 50 is not particularly limited as long as it is a conductive material. Examples of the material are metals such as Pt, Ru, Rh, Pd, Ir, Au, Ag, Cu, Ni, alloys thereof, or conductive oxides, even if they are the same as the material of the lower electrode 30. It may be good or different. The upper electrode 50 is made of Ni in this embodiment. The thickness of the upper electrode 50 can be the same as that of the lower electrode 30.

また、薄膜キャパシタ100は、誘電体膜40の側面などを被覆し、誘電体膜40を外部雰囲気から遮断するための保護膜70を有していてもよい。保護膜70の材料の例は、エポキシ等の樹脂である。 Further, the thin film capacitor 100 may have a protective film 70 for covering the side surface of the dielectric film 40 and the like and blocking the dielectric film 40 from the external atmosphere. An example of the material of the protective film 70 is a resin such as epoxy.

なお、薄膜キャパシタ100の形状に特に制限はないが、通常、厚み方向から見て、直方体形状とされる。またその寸法にも特に制限はなく、厚みや長さは用途に応じて適当な寸法とすればよい。 The shape of the thin film capacitor 100 is not particularly limited, but is usually a rectangular parallelepiped shape when viewed from the thickness direction. Further, the dimensions are not particularly limited, and the thickness and length may be appropriate dimensions according to the application.

下部電極30と酸化ニッケル層35と誘電体膜40と上部電極50とは、キャパシタ部60を形成している。下部電極30および上部電極50が外部回路に接続されて電極間に電圧が印加されると、酸化ニッケル層35および誘電体膜40が所定の静電容量を示し、キャパシタとしての機能を発揮する。特に、本実施形態では、上述の誘電体膜40を使用しているので、高いDCバイアス特性と高い耐電圧を両立することができる。 The lower electrode 30, the nickel oxide layer 35, the dielectric film 40, and the upper electrode 50 form a capacitor portion 60. When the lower electrode 30 and the upper electrode 50 are connected to an external circuit and a voltage is applied between the electrodes, the nickel oxide layer 35 and the dielectric film 40 exhibit a predetermined capacitance and exhibit a function as a capacitor. In particular, in the present embodiment, since the above-mentioned dielectric film 40 is used, both high DC bias characteristics and high withstand voltage can be achieved at the same time.

(薄膜キャパシタの製造方法)
次に、図1に示す薄膜キャパシタ100の製造方法の一例について以下に説明する。
(Manufacturing method of thin film capacitor)
Next, an example of the method for manufacturing the thin film capacitor 100 shown in FIG. 1 will be described below.

まず、基板10を準備し、基板10上に、スパッタリング法などの公知の成膜法により密着膜20、及び、下部電極30を形成する。 First, the substrate 10 is prepared, and the adhesion film 20 and the lower electrode 30 are formed on the substrate 10 by a known film forming method such as a sputtering method.

下部電極30の形成後に、密着膜20と下部電極30との密着性向上、および、下部電極30の安定性向上を図る目的で、熱処理を行ってもよい。熱処理条件としては、たとえば、昇温速度は好ましくは10℃/分〜3000℃/分である。熱処理時の保持温度は、好ましくは200℃〜800℃、その保持時間は、好ましくは5秒〜4.0時間である。熱処理条件が上記の範囲外である場合には、密着膜20と下部電極30との密着不良、下部電極30の表面に凹凸が発生しやすくなる。その結果、誘電体膜40の誘電特性の低下が生じやすくなる。 After the formation of the lower electrode 30, heat treatment may be performed for the purpose of improving the adhesion between the adhesion film 20 and the lower electrode 30 and improving the stability of the lower electrode 30. As the heat treatment conditions, for example, the heating rate is preferably 10 ° C./min to 3000 ° C./min. The holding temperature during the heat treatment is preferably 200 ° C. to 800 ° C., and the holding time is preferably 5 seconds to 4.0 hours. When the heat treatment conditions are out of the above range, poor adhesion between the adhesion film 20 and the lower electrode 30 and unevenness on the surface of the lower electrode 30 are likely to occur. As a result, the dielectric properties of the dielectric film 40 are likely to be deteriorated.

続いて、下部電極30上に、酸化ニッケル層35を形成する。本実施形態では、公知の成膜法により、下部電極30上に薄膜状に堆積させた堆積膜としての酸化ニッケル層35を形成する。 Subsequently, the nickel oxide layer 35 is formed on the lower electrode 30. In the present embodiment, the nickel oxide layer 35 as a deposited film deposited in the form of a thin film is formed on the lower electrode 30 by a known film forming method.

酸化ニッケル層35を形成する公知の成膜法としては、たとえば、真空蒸着法、スパッタリング法、パルスレーザー蒸着法(Pulsed Laser Deposition; PLD)、有機金属化学気相成長法(Metal‐Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)、有機金属分解法(Metal Organic Decomposition; MOD)、ゾル・ゲル法、化学溶液堆積法(Chemical Solution Deposition; CSD)等が例示される。なお、成膜時に使用する原料(蒸着材料、各種ターゲット材料、有機金属材料等)には微量の不純物、副成分等が含まれている場合があるが、所望の誘電特性が得られれば、特に問題はない。 Known film forming methods for forming the nickel oxide layer 35 include, for example, a vacuum vapor deposition method, a sputtering method, a pulsed laser deposition method (PLD), and a metal-organic chemical vapor deposition method (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition). MOCVD), Metalorganic Decomposition (MOD), Zol-Gel method, Chemical Solution Deposition (CSD) and the like are exemplified. The raw materials used for film formation (deposited materials, various target materials, organic metal materials, etc.) may contain trace amounts of impurities, subcomponents, etc. No problem.

たとえば、スパッタリング法を用いる場合、酸化ニッケルのターゲットを用いて、下部電極30上に、酸化ニッケル層35を形成する。スパッタリング条件は、高周波電力が好ましくは100W〜300Wであり、雰囲気はアルゴンガス雰囲気が好ましく、基板温度が好ましくは200℃〜600℃である。酸化ニッケル層35の厚みは、成膜時間で制御することができる。 For example, when the sputtering method is used, the nickel oxide layer 35 is formed on the lower electrode 30 by using the nickel oxide target. As for the sputtering conditions, high frequency power is preferably 100 W to 300 W, the atmosphere is preferably an argon gas atmosphere, and the substrate temperature is preferably 200 ° C. to 600 ° C. The thickness of the nickel oxide layer 35 can be controlled by the film formation time.

そして、酸化ニッケル層35上に誘電体膜40を形成する。本実施形態では、公知の成膜法により、誘電体膜40を構成する材料を酸化ニッケル層35上に薄膜状に堆積させた堆積膜としての誘電体膜40を形成する。誘電体膜40を形成する公知の成膜法としては、たとえば、真空蒸着法、スパッタリング法、パルスレーザー蒸着法(Pulsed Laser Deposition; PLD)、有機金属化学気相成長法(Metal‐Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)、有機金属分解法(Metal Organic Decomposition; MOD)、ゾル・ゲル法、化学溶液堆積法(Chemical Solution Deposition; CSD)等が例示される。 Then, the dielectric film 40 is formed on the nickel oxide layer 35. In the present embodiment, the dielectric film 40 is formed as a deposited film in which the material constituting the dielectric film 40 is deposited in a thin film on the nickel oxide layer 35 by a known film forming method. Known film forming methods for forming the dielectric film 40 include, for example, a vacuum vapor deposition method, a sputtering method, a pulsed laser deposition method (PLD), and a metal-organic chemical vapor deposition method (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition). MOCVD), Metalorganic Decomposition (MOD), Zol-Gel method, Chemical Solution Deposition (CSD) and the like are exemplified.

具体的に、各成膜法で用いる原料組成物における金属元素の比率を上記の範囲とすればよい。なお、成膜時に使用する原料(蒸着材料、各種ターゲット材料、有機金属材料等)には微量の不純物、副成分等が含まれている場合があるが、所望の誘電特性が得られれば、特に問題はない。 Specifically, the ratio of metal elements in the raw material composition used in each film forming method may be within the above range. The raw materials used for film formation (deposited materials, various target materials, organic metal materials, etc.) may contain trace amounts of impurities, subcomponents, etc. No problem.

たとえば、スパッタリング法を用いる場合、まず上記の金属組成を有する酸化物ターゲットを作成する。具体的には、各金属を含有する化合物の粉末、例えば、炭酸塩、酸化物、水酸化物等を用意し、金属元素の比率が上記の範囲内となるように混合して混合粉末を得る。混合は、水中で、例えば、ボールミルなどを用いて行うことが好適である。次に、混合粉末を成形して成形体を得る。成形圧力は例えば10〜200Paとすることができる。 For example, when the sputtering method is used, an oxide target having the above metal composition is first prepared. Specifically, powders of compounds containing each metal, for example, carbonates, oxides, hydroxides, etc. are prepared and mixed so that the ratio of metal elements is within the above range to obtain a mixed powder. .. Mixing is preferably carried out in water using, for example, a ball mill. Next, the mixed powder is molded to obtain a molded product. The molding pressure can be, for example, 10 to 200 Pa.

その後、得られた成形体を焼成して焼成体を得る。焼成条件は、保持温度を900〜1300℃、温度保持時間は1〜10時間、雰囲気は、空気などの酸化雰囲気中とすることができる。最後に、得られた焼成体を、円盤状に加工して、スパッタリング用ターゲットを得ることができる。 Then, the obtained molded product is fired to obtain a fired product. The firing conditions are such that the holding temperature is 900 to 1300 ° C., the temperature holding time is 1 to 10 hours, and the atmosphere is an oxidizing atmosphere such as air. Finally, the obtained fired body can be processed into a disk shape to obtain a target for sputtering.

次に、得られたターゲットをスパッタして基材上に上記の誘電体膜を堆積膜として形成する。スパッタリングの条件は特に限定されないが、高周波(RF)スパッタリングが好ましく、電力は100W〜300Wとすることができ、雰囲気はアルゴンガス雰囲気が好ましく、基板温度は好ましくは室温〜200℃とすることができる。 Next, the obtained target is sputtered to form the above-mentioned dielectric film as a deposited film on the substrate. The sputtering conditions are not particularly limited, but high frequency (RF) sputtering is preferable, the electric power can be 100 W to 300 W, the atmosphere is preferably an argon gas atmosphere, and the substrate temperature can be preferably room temperature to 200 ° C. ..

スパッタリングにより誘電体膜を形成した後、急速加熱アニール処理(RapidThermal Anneal:RTA)を施すことも好適である。RTAを施す条件として、雰囲気は窒素雰囲気であることが好ましく、昇温速度を100℃/分以上とすることが好ましく、アニール時間は5秒〜120分とすることが好ましく、アニール温度を700℃以上1000℃以下とすることが好ましい。 It is also preferable to perform rapid thermal annealing (RTA) after forming a dielectric film by sputtering. As conditions for applying RTA, the atmosphere is preferably a nitrogen atmosphere, the heating rate is preferably 100 ° C./min or more, the annealing time is preferably 5 seconds to 120 minutes, and the annealing temperature is 700 ° C. It is preferably 1000 ° C. or lower.

誘電体膜40を形成した後、必要に応じて上述のアニーリングをおこなうことができる。 After forming the dielectric film 40, the above-mentioned annealing can be performed if necessary.

次に、形成した誘電体膜40上に、公知の成膜法(たとえばスパッタリング法等)を用いて上部電極を構成する材料の薄膜を形成し、上部電極50を形成する。 Next, a thin film of the material constituting the upper electrode is formed on the formed dielectric film 40 by using a known film forming method (for example, a sputtering method) to form the upper electrode 50.

以上の工程を経て、図1に示すように、基板10上に、密着膜20を介して、キャパシタ部(下部電極30、酸化ニッケル層35、誘電体膜40および上部電極50)60が形成された薄膜キャパシタ100が得られる。なお、誘電体膜40を保護する保護膜70は、少なくとも誘電体膜40が外部に露出している部分を覆うように公知の成膜法により形成すればよい。 Through the above steps, as shown in FIG. 1, a capacitor portion (lower electrode 30, nickel oxide layer 35, dielectric film 40, and upper electrode 50) 60 is formed on the substrate 10 via the adhesive film 20. The thin film capacitor 100 is obtained. The protective film 70 that protects the dielectric film 40 may be formed by a known film forming method so as to cover at least the portion where the dielectric film 40 is exposed to the outside.

(誘電体薄膜素子)
上述した薄膜キャパシタ100に用いられ得る誘電体薄膜素子200は、上述した下部電極30、酸化ニッケル層35および誘電体膜40をこの順に有する。
(Dielectric thin film element)
The dielectric thin film element 200 that can be used in the thin film capacitor 100 described above has the lower electrode 30, the nickel oxide layer 35, and the dielectric film 40 described above in this order.

(変形例)
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の範囲内において種々の態様で改変しても良い。
(Modification example)
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and may be modified in various ways within the scope of the present invention.

例えば、図2に示すように、誘電体膜40上に、酸化ニッケル層45をさらに設けてもよい。酸化ニッケル層45は、上述した酸化ニッケル層35と同じ構成を有していてもよい。酸化ニッケル層45の厚みは、酸化ニッケル層35の厚みと同じであってもよく、異なっていてもよい。酸化ニッケル層45は、酸化ニッケル層35と同様の製法により形成することができる。たとえば、誘電体膜40に酸化ニッケル層45を形成した後、上述のアニール処理をおこない、その後、上部電極50が形成され得る。図2に示した薄膜キャパシタ100では、キャパシタ部60は、下部電極30、酸化ニッケル層35、誘電体膜40、酸化ニッケル層45および上部電極50によって構成される。 For example, as shown in FIG. 2, a nickel oxide layer 45 may be further provided on the dielectric film 40. The nickel oxide layer 45 may have the same structure as the nickel oxide layer 35 described above. The thickness of the nickel oxide layer 45 may be the same as or different from the thickness of the nickel oxide layer 35. The nickel oxide layer 45 can be formed by the same manufacturing method as the nickel oxide layer 35. For example, after forming the nickel oxide layer 45 on the dielectric film 40, the above-mentioned annealing treatment can be performed, and then the upper electrode 50 can be formed. In the thin film capacitor 100 shown in FIG. 2, the capacitor portion 60 is composed of a lower electrode 30, a nickel oxide layer 35, a dielectric film 40, a nickel oxide layer 45, and an upper electrode 50.

また、下部電極30と上部電極50との間に、誘電体膜40とは別の材料の誘電体膜をさらに設けてもよい。例えば、Si、SiO、Al、ZrO、Ta等のアモルファス膜又は結晶膜と、上述の誘電体膜40との積層構造とすることで、複数の誘電体膜の全体でのインピーダンスや比誘電率の温度変化を調整することが可能となる。 Further, a dielectric film made of a material different from that of the dielectric film 40 may be further provided between the lower electrode 30 and the upper electrode 50. For example, a plurality of dielectrics can be obtained by forming a laminated structure of an amorphous film or a crystal film such as Si 3 N x , SiO x , Al 2 O x , ZrO x , Ta 2 O x and the above-mentioned dielectric film 40. It is possible to adjust the temperature change of impedance and relative permittivity of the entire film.

さらに、上述した実施形態では、基板10と下部電極30との密着性を向上させるために、密着膜20を形成しているが、基板10と下部電極30との密着性が十分確保できる場合には、密着膜20は省略することができる。また、基板10を構成する材料として、電極として使用可能なNi、Cu、Pt等の金属、それらの合金、酸化物導電性材料等を用いる場合には、密着膜20および下部電極30は省略することができる。 Further, in the above-described embodiment, the adhesion film 20 is formed in order to improve the adhesion between the substrate 10 and the lower electrode 30, but when the adhesion between the substrate 10 and the lower electrode 30 can be sufficiently ensured. The adhesive film 20 can be omitted. When a metal such as Ni, Cu, or Pt that can be used as an electrode, an alloy thereof, an oxide conductive material, or the like is used as the material constituting the substrate 10, the adhesive film 20 and the lower electrode 30 are omitted. be able to.

また、本実施形態に係る誘電体膜は、キャパシタ以外にも、圧電素子等の電子部品に利用することができる。 Further, the dielectric film according to the present embodiment can be used for electronic components such as piezoelectric elements in addition to capacitors.

(電子回路基板)
本実施形態に係る電子回路基板は、上記の誘電体薄膜素子を備えてよい。電子回路基板は、誘電体薄膜素子を含む上記電子部品を備えてもよい。例えば、電子回路基板は、電子部品として、上記薄膜キャパシタを備えてよい。薄膜キャパシタ等の電子部品は、電子回路基板の表面に設置されていてよい。薄膜キャパシタ等の電子部品は、電子回路基板内に埋め込まれていてもよい。電子回路基板の一例は、図3中の(a)及び図3中の(b)に示される。電子回路基板90は、エポキシ系樹脂基板92と、エポキシ系樹脂基板92を覆う樹脂層93と、樹脂層93上に設置された薄膜キャパシタ91と、樹脂層93及び薄膜キャパシタ91を覆う絶縁性被覆層94と、絶縁性被覆層94上に設置された電子部品95と、複数の金属配線96と、を備えてよい。少なくとも一部の金属配線96は、エポキシ系樹脂基板92又は絶縁性被覆層94の表面に引き出されてよい。少なくとも一部の金属配線96は、薄膜キャパシタ91の取り出し電極、又は電子部品95に接続されていてよい。少なくとも一部の金属配線96は、電子回路基板90の表面から裏面に向かう方向において、電子回路基板90を貫通していてよい。
(Electronic circuit board)
The electronic circuit board according to this embodiment may include the above-mentioned dielectric thin film element. The electronic circuit board may include the above electronic components including a dielectric thin film element. For example, the electronic circuit board may include the thin film capacitor as an electronic component. Electronic components such as thin film capacitors may be installed on the surface of the electronic circuit board. Electronic components such as thin film capacitors may be embedded in the electronic circuit board. An example of the electronic circuit board is shown in (a) in FIG. 3 and (b) in FIG. The electronic circuit board 90 includes an epoxy-based resin substrate 92, a resin layer 93 covering the epoxy-based resin substrate 92, a thin film capacitor 91 installed on the resin layer 93, and an insulating coating covering the resin layer 93 and the thin film capacitor 91. A layer 94, an electronic component 95 installed on the insulating coating layer 94, and a plurality of metal wirings 96 may be provided. At least a part of the metal wiring 96 may be drawn out to the surface of the epoxy resin substrate 92 or the insulating coating layer 94. At least a part of the metal wiring 96 may be connected to the extraction electrode of the thin film capacitor 91 or the electronic component 95. At least a part of the metal wiring 96 may penetrate the electronic circuit board 90 in the direction from the front surface to the back surface of the electronic circuit board 90.

図3(b)に示すように、本実施形態に係る薄膜キャパシタ91は、下部電極30と、下部電極30の表面に設けられた誘電体膜40と、誘電体膜40の一部の上面上に設けられた上部電極50と、誘電体膜40の他部(具体的には、上部電極が設けられた部分の残部)を貫通して下部電極30の表面に直接設けられた貫通電極52と、上部電極50、誘電体膜40及び貫通電極52を覆う絶縁性樹脂層58と、絶縁性樹脂層58を貫通して貫通電極52の表面に直接設けられた取り出し電極54,及び、絶縁性樹脂層58を貫通して上部電極50の表面に直接設けられた取り出し電極56を備える。 As shown in FIG. 3B, the thin film capacitor 91 according to the present embodiment has a lower electrode 30, a dielectric film 40 provided on the surface of the lower electrode 30, and a part of the upper surface of the dielectric film 40. And the through electrode 52 provided directly on the surface of the lower electrode 30 through the other portion of the dielectric film 40 (specifically, the rest of the portion where the upper electrode is provided). The insulating resin layer 58 that covers the upper electrode 50, the dielectric film 40, and the penetrating electrode 52, the take-out electrode 54 that penetrates the insulating resin layer 58 and is directly provided on the surface of the penetrating electrode 52, and the insulating resin. A take-out electrode 56 is provided which penetrates the layer 58 and is provided directly on the surface of the upper electrode 50.

電子回路基板90は、以下の手順で製造されてよい。まず、エポキシ系樹脂基板92の表面が未硬化樹脂層で覆われる。未硬化樹脂層は、樹脂層93の前駆体である。薄膜キャパシタ91の下地電極が未硬化樹脂層に面するように、薄膜キャパシタ91が未硬化樹脂層の表面に設置される。未硬化樹脂層及び薄膜キャパシタ91を絶縁性被覆層94で覆うことにより、薄膜キャパシタ91が、エポキシ系樹脂基板92と絶縁性被覆層94との間に挟み込まれる。未硬化樹脂層の熱硬化により、樹脂層93が形成される。熱プレスにより、絶縁性被覆層94が、エポキシ系樹脂基板92、薄膜キャパシタ91及び樹脂層93へ圧着される。この積層型基板を貫通する複数のスルーホールが形成される。金属配線96が各スルーホール内に形成される。金属配線96の形成後、電子部品95が絶縁性被覆層94の表面に設置される。以上の方法により、薄膜キャパシタ91に埋め込まれた電子回路基板90が得られる。各金属配線96は、Cu等の導電体からなっていてよい。未硬化樹脂層は、Bステージの熱硬化性樹脂(例えばエポキシ樹脂等)であってよい。Bステージの熱硬化性樹脂は、室温では完全には硬化されておらず、加熱により完全に硬化される。絶縁性被覆層94は、エポキシ系樹脂、ポリテトラフルオロエチレン系樹脂又はポリイミド系樹脂等から形成されてよい。 The electronic circuit board 90 may be manufactured by the following procedure. First, the surface of the epoxy resin substrate 92 is covered with an uncured resin layer. The uncured resin layer is a precursor of the resin layer 93. The thin film capacitor 91 is installed on the surface of the uncured resin layer so that the base electrode of the thin film capacitor 91 faces the uncured resin layer. By covering the uncured resin layer and the thin film capacitor 91 with the insulating coating layer 94, the thin film capacitor 91 is sandwiched between the epoxy resin substrate 92 and the insulating coating layer 94. The resin layer 93 is formed by thermosetting the uncured resin layer. The insulating coating layer 94 is pressure-bonded to the epoxy resin substrate 92, the thin film capacitor 91, and the resin layer 93 by hot pressing. A plurality of through holes penetrating the laminated substrate are formed. Metal wiring 96 is formed in each through hole. After forming the metal wiring 96, the electronic component 95 is installed on the surface of the insulating coating layer 94. By the above method, the electronic circuit board 90 embedded in the thin film capacitor 91 can be obtained. Each metal wiring 96 may be made of a conductor such as Cu. The uncured resin layer may be a B-stage thermosetting resin (for example, epoxy resin or the like). The B-stage thermosetting resin is not completely cured at room temperature, but is completely cured by heating. The insulating coating layer 94 may be formed of an epoxy resin, a polytetrafluoroethylene resin, a polyimide resin, or the like.

以下、実施例及び比較例を用いて、本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

(実施例、比較例)
まず、誘電体膜の形成に必要なスパッタリング用ターゲットを固相法により以下のようにして作製した。
(Example, comparative example)
First, the target for sputtering required for forming the dielectric film was prepared by the solid phase method as follows.

ターゲット作製用の原料粉末として、炭酸バリウム、炭酸ストロンチウム、炭酸カルシウム、酸化チタン、酸化ビスマス、炭酸カリウム、炭酸ナトリウムの粉末を準備した。これらの粉末を、各金属の原子数が表1、表2及び表3に示す組成となるようにそれぞれ秤量した。 As raw material powders for preparing the target, powders of barium carbonate, strontium carbonate, calcium carbonate, titanium oxide, bismuth oxide, potassium carbonate, and sodium carbonate were prepared. These powders were weighed so that the number of atoms of each metal had the compositions shown in Tables 1, 2 and 3, respectively.

ボールミル中で水を溶媒として、秤量したターゲット作製用の原料粉末の湿式混合を20時間行った。得られた混合粉末スラリーを100℃で乾燥させ、混合粉末を得た。得られた混合粉末を、プレス機によるプレス成形して成形体を得た。成形条件は、圧力を100Pa、温度を25℃、プレス時間を3分とした。 Wet mixing of the weighed raw material powder for target preparation was carried out in a ball mill using water as a solvent for 20 hours. The obtained mixed powder slurry was dried at 100 ° C. to obtain a mixed powder. The obtained mixed powder was press-molded by a press machine to obtain a molded product. The molding conditions were a pressure of 100 Pa, a temperature of 25 ° C., and a pressing time of 3 minutes.

その後、得られた成形体を焼成して焼成体を得た。焼成条件は、保持温度を1100℃、温度保持時間を5時間、雰囲気を空気中とした。 Then, the obtained molded product was fired to obtain a fired product. The firing conditions were a holding temperature of 1100 ° C., a temperature holding time of 5 hours, and an atmosphere of air.

得られた焼成体を、平面研削盤と円筒研磨機により直径80mm、厚さ5mmに加工して、誘電体膜を形成するためのスパッタリング用ターゲットを得た。 The obtained fired body was processed into a diameter of 80 mm and a thickness of 5 mm by a surface grinder and a cylindrical grinder to obtain a target for sputtering for forming a dielectric film.

続いて、厚みが500μmのSiウエハを、酸化性ガスの乾燥した雰囲気下で熱処理することにより、ウエハ表面に厚みが500nmのSiO膜を形成して、基板とした。この基板の表面に、まず、密着膜としてのTiを20nmの厚さとなるようにスパッタリング法で形成した。さらに、上記で形成した密着膜上に、Ni薄膜を100nmの厚さとなるようにスパッタリング法で形成し、下部電極とした。 Subsequently, a Si wafer having a thickness of 500 μm was heat-treated in a dry atmosphere of an oxidizing gas to form a SiO 2 film having a thickness of 500 nm on the wafer surface to form a substrate. First, Ti as an adhesion film was formed on the surface of this substrate by a sputtering method so as to have a thickness of 20 nm. Further, a Ni thin film was formed on the adhesion film formed above by a sputtering method so as to have a thickness of 100 nm, and used as a lower electrode.

次に、下部電極上に、スパッタリング用酸化ニッケルターゲットを用いて、スパッタリング法により、酸化ニッケル層を表1、表2および表3に示す厚さになるように形成した。スパッタリング条件は、雰囲気:Ar、圧力:1.0Pa、高周波電力:200W、基板温度:300℃とした。酸化ニッケル層の厚さは、試料をTEM観察して3箇所測長し、その平均値を求めた。 Next, the nickel oxide layer was formed on the lower electrode by a sputtering method using a nickel oxide target for sputtering so as to have the thickness shown in Tables 1, 2 and 3. The sputtering conditions were atmosphere: Ar, pressure: 1.0 Pa, high frequency power: 200 W, and substrate temperature: 300 ° C. The thickness of the nickel oxide layer was measured at three points by TEM observation of the sample, and the average value was obtained.

さらに、酸化ニッケル層上に、上記で作製したスパッタリング用ターゲットを用いて、スパッタリング法により、誘電体膜を厚さ300nmで形成した。スパッタリング条件は、雰囲気:Ar、圧力:1.0Pa、高周波電力:200W、基板温度:100℃とした。誘電体膜を形成した後、当該誘電体膜に対し、窒素雰囲気下900℃1分のアニール条件、及び、2000℃/minの昇温速度で、急速加熱アニール処理(Rapid Thermal Anneal:RTA)を施した。 Further, a dielectric film having a thickness of 300 nm was formed on the nickel oxide layer by a sputtering method using the target for sputtering prepared above. The sputtering conditions were atmosphere: Ar, pressure: 1.0 Pa, high frequency power: 200 W, and substrate temperature: 100 ° C. After forming the dielectric film, the dielectric film is subjected to rapid thermal anneal treatment (RTA) under a nitrogen atmosphere at 900 ° C. for 1 minute and at a heating rate of 2000 ° C./min. gave.

次いで、得られた誘電体膜上に、スパッタリング法にてNi薄膜を、マスクを使って、直径200μm、厚さ100nmとなるように形成し、上部電極とした。以上の工程を経て、図1に示す構成を有する薄膜キャパシタを得た。 Next, a Ni thin film was formed on the obtained dielectric film by a sputtering method so as to have a diameter of 200 μm and a thickness of 100 nm using a mask, and used as an upper electrode. Through the above steps, a thin film capacitor having the configuration shown in FIG. 1 was obtained.

誘電体膜の結晶構造を、XRD測定装置(Rigaku社、Smartlab)を用いて、X線回折法により測定、解析した。その結果、誘電体膜は、ペロブスカイト型の結晶構造を有することが確認された。 The crystal structure of the dielectric film was measured and analyzed by an X-ray diffraction method using an XRD measuring device (Rigaku, Smartlab). As a result, it was confirmed that the dielectric film has a perovskite-type crystal structure.

また、誘電体膜の組成は、XRF(X-ray FluorescenceAnalysis)を使用して分析を行い、表1、表2および表3に記載の組成と一致していることを確認した。 In addition, the composition of the dielectric film was analyzed using XRF (X-ray Fluorescense Analysis), and it was confirmed that the composition was consistent with the compositions shown in Tables 1, 2 and 3.

得られたすべての薄膜キャパシタについて、下記に示す方法によりDCバイアス印加時の比誘電率を測定した。 For all the obtained thin film capacitors, the relative permittivity when DC bias was applied was measured by the method shown below.

(比誘電率)
DCバイアス印加時の比誘電率は、デジタルLCRメータ(Hewlett−Packard社,4284A)を用いて、薄膜キャパシタに厚み方向に10V/μmのDCバイアスを印加しながら、室温25℃、周波数1kHz、入力信号レベル(測定電圧)1.0Vrmsの条件で測定された静電容量、有効電極面積、電極間距離および真空の誘電率から算出した(単位なし)。誘電体膜としては、DCバイアス印加時の比誘電率は高い方が好ましく、DCバイアス印加時の比誘電率が600以上の試料を良好であると判断した。結果を表1、表2および表3に示す。
(Relative permittivity)
The relative permittivity when a DC bias is applied is an input at a room temperature of 25 ° C. and a frequency of 1 kHz while applying a DC bias of 10 V / μm in the thickness direction to the thin film capacitor using a digital LCR meter (Hewlet-Packard, 4284A). It was calculated from the capacitance, effective electrode area, inter-electrode distance and vacuum permittivity measured under the condition of signal level (measurement voltage) of 1.0 Vrms (no unit). As the dielectric film, it is preferable that the relative permittivity when DC bias is applied is high, and a sample having a relative permittivity of 600 or more when DC bias is applied is judged to be good. The results are shown in Table 1, Table 2 and Table 3.

(耐電圧特性)
薄膜キャパシタの一対の電極に対し、0Vからスタートして、1V/秒の昇圧速度で直流電圧を印加した際に、電極間に電流が10mA以上流れた時の電圧を絶縁耐圧とした。本実施例では、上記の評価を10個の試料についておこない、絶縁耐圧の平均値が40V/μm以上の試料を良好であると判断した。
(Withstand voltage characteristics)
When a DC voltage was applied to a pair of electrodes of a thin film capacitor at a step-up rate of 1 V / sec starting from 0 V, the voltage when a current of 10 mA or more flowed between the electrodes was defined as the dielectric strength. In this example, the above evaluation was performed on 10 samples, and it was judged that the samples having an average withstand voltage of 40 V / μm or more were good.

Figure 2020161791
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表1に示したとおり、酸化ニッケル層を備える薄膜キャパシタは、DCバイアス印加時の比誘電率が高く、かつ、耐電圧特性も高いことが確認できた。 As shown in Table 1, it was confirmed that the thin film capacitor provided with the nickel oxide layer has a high relative permittivity when a DC bias is applied and also has a high withstand voltage characteristic.

また、表2に示したとおり、酸化ニッケル層の厚みが30nm以下である場合には、高い比誘電率を実現できることが確認できた。 Further, as shown in Table 2, it was confirmed that a high relative permittivity can be realized when the thickness of the nickel oxide layer is 30 nm or less.

さらに、表3に示した実施例9〜13のとおり、(Bi0.5Na0.5)TiO−SrTiOで構成された誘電体膜に限らず、その他の構成((Bi0.5Na0.5)TiO−BaTiO、(Bi0.5Na0.5)TiO−CaTiO、(Bi0.50.5)TiO−SrTiO、(Bi0.50.5)TiO−BaTiO、(Bi0.50.5)TiO−CaTiO)でも、DCバイアス印加時の比誘電率が高く、かつ、耐電圧特性も高いことが確認できた。 Further, as shown in Examples 9 to 13 shown in Table 3, the present invention is not limited to the dielectric film composed of (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 3- SrTiO 3 , and other configurations ((Bi 0.5). Na 0.5 ) TiO 3- BaTIO 3 , (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 3- CaTIO 3 , (Bi 0.5 K 0.5 ) TiO 3- SrTIO 3 , (Bi 0.5 K 0) .5 ) It was confirmed that the relative permittivity at the time of applying DC bias was high and the withstand voltage characteristic was also high in TiO 3- BaTIO 3 and (Bi 0.5 K 0.5 ) TiO 3- CaTIO 3 ). ..

表3に示した実施例14は、図2に示した薄膜キャパシタの形態(すなわち、誘電体膜と上部電極との間に酸化ニッケル層(15nm厚み)が介在する形態)の試料に係る結果である。実施例14では、実施例2に比べて、比誘電率が維持され、絶縁耐圧が向上することが確認できた。 Example 14 shown in Table 3 shows the results relating to the sample in the form of the thin film capacitor shown in FIG. 2 (that is, the form in which the nickel oxide layer (15 nm thickness) is interposed between the dielectric film and the upper electrode). is there. In Example 14, it was confirmed that the relative permittivity was maintained and the dielectric strength was improved as compared with Example 2.

10…基板、20…密着膜、30…下部電極、35、45…酸化ニッケル層、40…誘電体膜、50…上部電極、90…電子回路基板、91、100…薄膜キャパシタ、200…誘電体薄膜素子。

10 ... Substrate, 20 ... Adhesive film, 30 ... Lower electrode, 35, 45 ... Nickel oxide layer, 40 ... Dielectric film, 50 ... Upper electrode, 90 ... Electronic circuit board, 91, 100 ... Thin film capacitor, 200 ... Dielectric Thin film element.

Claims (6)

(1)Bi、及び、Ti、
(2)Na及びKからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素、及び、
(3)Ba、Sr、及び、Caからなる群から選択される少なくとも一つの元素
を含み、ペロブスカイト構造を有する酸化物を含む誘電体膜と、
前記誘電体膜の一方面に設けられた第1の電極膜と、
前記誘電体膜と前記第1の電極膜との間に介在する酸化ニッケル層と
を備える、誘電体薄膜素子。
(1) Bi and Ti,
(2) At least one element selected from the group consisting of Na and K, and
(3) A dielectric film containing at least one element selected from the group consisting of Ba, Sr, and Ca and containing an oxide having a perovskite structure.
A first electrode film provided on one surface of the dielectric film and
A dielectric thin film device including a nickel oxide layer interposed between the dielectric film and the first electrode film.
前記酸化ニッケル層の厚さが30nm以下である、請求項1に記載の誘電体薄膜素子。 The dielectric thin film device according to claim 1, wherein the nickel oxide layer has a thickness of 30 nm or less. 請求項1または2に記載の誘電体薄膜素子を備える電子部品。 An electronic component comprising the dielectric thin film device according to claim 1 or 2. 前記誘電体膜の他方面に設けられた第2の電極膜をさらに備える、請求項3に記載の電子部品。 The electronic component according to claim 3, further comprising a second electrode film provided on the other surface of the dielectric film. 請求項1または2に記載の誘電体薄膜素子を備える、電子回路基板。 An electronic circuit board comprising the dielectric thin film device according to claim 1 or 2. 請求項3または4に記載の電子部品を備える、電子回路基板。

An electronic circuit board comprising the electronic component according to claim 3 or 4.

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