JP6565377B2 - 誘電体組成物および電子部品 - Google Patents
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Description
一般式 xAO−yBO−zC2O5
(Aは、Ba、Ca、Srの少なくとも一種以上から選択される元素、BはMg、Cは、Nb、Taの少なくとも一種以上から選択される元素。)
で表され、x、y、zの関係が
x+y+z=1.000
0.000<x≦0.281
0.625≦y<1.000
0.000<z≦0.375
である複合酸化物を主成分として含むことを特徴とする。
図1は、本発明の一実施形態に係る誘電体組成物を用いた電子部品の一例としての、薄膜コンデンサ10の断面図である。薄膜コンデンサ10は、支持基板1の表面に積層された下部電極3と、上部電極4、及び下部電極3と上部電極4の間に設けられた誘電体膜5とを備えている。支持基板1と下部電極3の間に、支持基板1と下部電極3の密着性を向上させるために下地層2を備える。支持基板1は、薄膜コンデンサ10全体の機械的強度を確保する機能を有する。
図1に示す支持基板1を形成するための材料はとくに限定されるものではなく、単結晶としてはSi単結晶、SiGe単結晶、GaAs単結晶、InP単結晶、SrTiO3単結晶、MgO単結晶、LaAlO3単結晶、ZrO2単結晶、MgAl2O4単結晶、NdGaO3単結晶や、セラミック多結晶基板としてはAl2O3多結晶、ZnO多結晶、SiO2多結晶や、Ni、Cu、Ti、W、Mo、Al、Ptなどの金属や、それらの合金の基板などによって支持基板1を形成することができるが特に限定されるものではない。これらの中では、低コスト、加工性から、Si単結晶を基板として使用されることが一般的である。支持基板1は、基板の材質によってその抵抗率が異なる。抵抗率が低い材料を基板として使用する場合、そのまま使用すると基板側への電流のリークが薄膜コンデンサ10の電気特性に影響を及ぼすことがある。そのため、支持基板1の表面に絶縁処理を施し、使用時の電流が支持基板1へ流れないようにする場合もある。例えば、Si単結晶を支持基板1として使用する場合においては、支持基板1表面を酸化させてSiO2絶縁層の形成を行うことや、支持基板1表面にAl2O3、SiO2、Si3Nxなどの絶縁物を形成してもよく、支持基板1への絶縁が保てればその絶縁層の材料や膜厚は限定されないが、0.01μm以上が好ましい。0.01μm未満では絶縁性が保てないため、絶縁層の厚みとして好ましくない。支持基板1の厚さは、薄膜コンデンサ全体の機械的強度を確保することができれば、とくに限定されるものではないが、たとえば、10μm〜5000μmに設定される。10μm未満の場合は機械的強度が確保できなく、5000μmを超え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。
本実施形態において、図1に示す薄膜コンデンサ10は、好ましくは、絶縁処理を施した支持基板1表面に、下地層2を有している。下地層2は、支持基板1と下部電極3の密着性向上を目的として挿入される。一例として、下部電極3にCuを使用する場合には下地層2はCrを、下部電極3にPtを使用する場合にはTiを下地層2として挿入することが一般的である。
下部電極3を形成するための材料は、導電性を有していれば良く、例えば、Pt、Ru、Rh、Pd、Ir、Au、Ag、Cu、Niなどの金属や、それらの合金、又は導電性酸化物などによって形成することができる。そのため、コストや誘電体層4を熱処理するときの雰囲気に対応した材料を選択すればよい。誘電体層4は大気中の他、不活性ガスであるN2やAr、またO2、不活性ガスと還元性ガスであるH2の混合ガスで熱処理を行うことが出来る。下部電極3の膜厚は電極として機能すれば良く、0.01μm以上が好ましい。0.01μm未満の場合、導電性が悪くなることから好ましくない。また、支持基板1に電極として使用可能なCuやNi、Pt等や酸化物導電性材料などを使用した基板を使用する場合は、前述した下地層2と下部電極3は省略することができる。
誘電体膜5を構成する誘電体組成物は、一般式 xAO−yBO−zC2O5
(Aは、Ba、Ca、Srの少なくとも一種以上から選択される元素、Bは、Mg、Cは、Nb、Taの少なくとも一種以上から選択される元素。)
で表される複合酸化物を主成分として含む。
本実施形態の一例において、薄膜コンデンサ10は、誘電体膜5の表面に、薄膜コンデンサ10の他方の電極として機能する上部電極4を備えている。上部電極4を形成するための材料は、導電性を有していれば、とくに限定されるものではなく、下部電極3と同様の材料によって、上部電極4を形成することができる。上部電極4の膜厚は電極として機能すれば良く、10nm以上が好ましい。膜厚が10nm以下の場合、導電性が悪化するため上部電極4として好ましくない。
まず、350μm厚のSiの表面に6μm厚のSiO2絶縁膜を備えた10mm×10mm角の支持基板の表面上に、下地層であるTi薄膜を20nmの厚さとなるようにスパッタリング法で形成した。
組成分析は、室温において波長分散型蛍光X線分析法(リガク社製ZSX−100e)を用いて行った。
比誘電率(εr)およびQ値は、薄膜コンデンサ試料に対し、基準温度25℃において、RFインピーダス/マテリアルアナライザ(Agilent社製4991A)にて、周波数2GHz,入力信号レベル(測定電圧)0.5Vrmsの条件下で測定された静電容量と膜厚測定の結果から算出した(単位なし)。比誘電率は高い方が好ましく、10以上を良好とした。また、Q値は高い方が好ましく、650以上を良好とした。
耐電圧は、薄膜コンデンサ試料に対し、下部電極が露出している領域と上部電極にデジタル超高抵抗/微少電流計(ADVANTEST R8340)を接続し、5V/秒のステップで電圧を印加して計測し、初期抵抗値から2ケタ低下したときの電圧値を読み取り、その値を試料の破壊電圧値(V)とした。得られた破壊電圧値(V)を誘電体膜厚で除した数値を耐電圧(kV/μm)とし、表1に記載した。耐電圧は高い方が好ましく、0.5kV/μm以上を良好とした。
試料No.1〜試料No.9は、図2に示したものと同様に表面にクラック等の欠陥は見られなかった。表1より、BaO−MgO−Ta2O5を主成分とする誘電体組成物であって、前記誘電体組成物の主成分をxBaO−yMgO−zTa2O5と表したときに、x、y、zの関係がx+y+z=1.000、0.000<x≦0.281、0.625≦y<1.000、0.000<z≦0.375である試料No.1〜試料No.9は、比誘電率が10以上、Q値が650以上、耐電圧が0.5kV/μm以上であることが確認できた。
表1より、誘電体膜の主成分をxBaO−yMgO−zTa2O5と表したときに、x、y、zの関係がx+y+z=1.000、0.000<x≦0.281、0.625≦y<1.000、0.000<z≦0.125である試料No.1、試料No.2、試料No.6、試料No.8、試料No.9は、比誘電率が10以上、Q値が850以上、耐電圧が0.5kV/μm以上であることが確認できた。このように、zの範囲を限定することで、比誘電率及び耐電圧を維持したまま、Q値を更に高めることが可能であることが確認できた。
x>281であった試料No.10は、クラックのため誘電特性を評価できなかった。試料No.11〜試料No.14は、図2に示したものと同様に表面にクラック等の欠陥は見られなかった。y<0.625であった試料No.11〜試料No.14は、耐電圧が0.5kV/μm未満であることが確認できる。
Ba、Ca、Sr、Mg、Taの量を表2に示す値となるように、BaCO3、CaCO3、SrCO3、MgO、Ta2O5の秤量を行い、1次仮焼ではMgO−Ta2O5仮焼粉末を、2次仮焼ではそれぞれ、CaO−MgO−Ta2O5(試料No.15)、SrO−MgO−Ta2O5(試料No.16)、(Ba−Ca)O−MgO−Ta2O5(試料No.17)、(Ca−Sr)O−MgO−Ta2O5(試料No.18)、(Sr−Ba)O−MgO−Ta2O5(試料No.19)、(Ba−Ca−Sr)O−MgO−Ta2O5(試料No.20)の仮焼粉末を得た。組成以外は実施例1と同様にしてターゲットを作製し、それぞれ試料No.15〜試料No.20の薄膜コンデンサ試料を作製した。実施例1と同様の評価を行った結果を表2に示す。
試料No.15〜試料No.20は、図2に示したものと同様に表面にクラック等の欠陥は見られなかった。表2より、AO−MgO−Ta2O5を主成分とする誘電体組成物であって、Aが、Ba、Ca、Srの少なくとも一種以上含有した試料No.9、試料No.15〜試料No.20は、ほぼ同様な特性を示し、比誘電率が10以上、Q値が650以上、耐電圧が0.5kV/μm以上を有することが確認できる。
Ba、Mg、Ta、Nbの量を表4に示す値となるように、BaCO3、MgO、Ta2O5、Nb2O5の秤量を行い、1次仮焼ではそれぞれ、MgO−Nb2O5(試料No.21)、MgO−(Ta−Nb)2O5(試料No.22)の仮焼粉末を、2次仮焼ではそれぞれ、BaO−MgO−Nb2O5(試料No.21)、BaO−MgO−(Ta−Nb)2O5(試料No.22)の仮焼粉末を得た。組成以外は実施例1と同様にしてターゲットを作製し、それぞれ試料No.21、試料No.22の薄膜コンデンサ試料を作製した。実施例1と同様の評価を行った結果を表3に示す。
試料No.21、試料No.22は、図2に示したものと同様に表面にクラック等の欠陥は見られなかった。表3より、BaO−MgO−C2O5を主成分とする誘電体組成物であって、Cが、Nb、Taの少なくとも一種以上含有した試料No.9、試料No.21、試料No.22は、ほぼ同様な特性を示し、比誘電率が10以上、Q値が650以上、耐電圧が0.5kV/μm以上を有することが確認できる。
Ba、Ca、Sr,Mg、Ta、Nbの量を表4に示す値となるように、BaCO3、CaCO3、SrCO3、MgO、Ta2O5、Nb2O5の秤量を行い、1次仮焼ではそれぞれ、MgO−(Ta−Nb)2O5(試料No.23〜試料No.26)の仮焼粉末を、2次仮焼ではそれぞれ、(Ba−Ca)O−(Mg)O−(Ta−Nb)2O5(試料No.23)、(Ca−Sr)O−(Mg)O−(Ta−Nb)2O5(試料No.24)、(Sr−Ba)O−(Mg)O−(Ta−Nb)2O5(試料No.25)、(Ba−Ca−Sr)O−(Mg)O−(Ta−Nb)2O5(試料No.26)の仮焼粉末を得た。組成以外は実施例1と同様にしてターゲットを作製し、それぞれ試料No.23〜試料No.26の薄膜コンデンサ試料を作製した。実施例1と同様の評価を行った結果を表4に示す。
試料No.23〜試料No.26は、図2に示したものと同様に表面にクラック等の欠陥は見られなかった。表5より、AO−BO−C2O5を主成分とする誘電体組成物であって、Aは、Ba、Ca、Srの少なくとも一種以上から選択される元素を含み、BはMg、Cは、Nb、Taの少なくとも一種以上から選択される元素を含有した試料No.23〜試料No.26は、ほぼ同様な特性を示し、比誘電率が10以上、Q値が650以上、耐電圧が0.5kV/μm以上を有することが確認できる。
誘電体膜の成膜をスパッタリング法で成膜した以外は実施例1の試料No.9と同様の手法で試料を作製し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表5に示す。
誘電体膜厚みを800nmとした以外は、実施例1の試料No.9と同様の手法で試料を作製し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表5に示す。
試料No.27、試料No.28は、図2に示したものと同様に表面にクラック等の欠陥は見られなかった。表7より、誘電体膜の製法(試料No.27)や誘電体膜厚(試料No.28)が異なっても、本実施形態の誘電体膜を使用することで、比誘電率が10以上、Q値が650以上、耐電圧が0.5kV/μm以上であることが確認できた。
2… 下地層
3… 下部電極
4… 上部電極
5… 誘電体膜
10… 薄膜コンデンサ
Claims (3)
- 一般式 xAO−yBO−zC2O5
(Aは、Ba、Ca、Srの少なくとも一種以上から選択される元素、BはMg、Cは、Nb、Taの少なくとも一種以上から選択される元素。)
で表され、x、y、zの関係が
x+y+z=1.000
0.000<x≦0.281
0.625≦y<1.000
0.000<z≦0.375
である複合酸化物を主成分として含む誘電体組成物が成膜されてなる誘電体膜。 - 前記一般式において、x、y、zの関係が
x+y+z=1.000
0.000<x≦0.281
0.625≦y<1.000
0.000<z≦0.125
であることを特徴とする請求項1に記載の誘電体膜。 - 請求項1または請求項2のいずれかに記載の誘電体膜を有する電子部品。
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