JP6620637B2

JP6620637B2 - 誘電体薄膜素子

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Publication number: JP6620637B2
Application number: JP2016063484A
Authority: JP
Inventors: 大槻史朗; 原田祥典; 小須田正則; 鈴木翔太; ▲高▼橋和子
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2016-03-28
Filing date: 2016-03-28
Publication date: 2019-12-18
Anticipated expiration: 2036-03-28
Also published as: JP2017183321A

Description

本発明は、誘電体薄膜を備える薄膜コンデンサ等の誘電体薄膜素子に関する。

電子機器の多機能化に伴い、電子機器に含まれている電子回路基板には様々な機能の追加が望まれている。そのため、電子回路基板に実装される電子部品の個数は、多くなる傾向にある。このため、電子部品の実装密度を向上させることが強く望まれている。

その要求の回答の一つとして、電気回路基板内に電子部品を埋め込むことが提案されている。電子回路基板に多く実装されている電子部品の一つに、従来の積層セラミックコンデンサがある。しかしながら、この積層セラミックコンデンサを電気回路基板内に埋め込む場合、積層セラミックコンデンサの厚み及びセラミックスという性質からくる脆性に起因して、埋め込みの工程において発生する応力により、積層セラミックコンデンサにクラックが発生したり、埋め込んだ部分の電気回路基板が変形したりする等の問題があった。

これらの問題は、従来の積層セラミックコンデンサの中で、極小な形状を用いた場合でも解消することは困難であった。そのため、電気回路基板内への埋め込み用のコンデンサとして、積層セラミックコンデンサより薄い低背なコンデンサが望まれている。低背なコンデンサとしては、従来、誘電体薄膜素子の一例である薄膜コンデンサが知られている。

誘電体薄膜素子の一例である薄膜コンデンサは、小型、高性能の電子部品としてデカップリングコンデンサなどの用途で広く利用されている。そのため、高い静電容量を有すること、絶縁耐圧が高いことが、要求されている。高い絶縁耐圧を実現する手段として、誘電体薄膜素子を構成している誘電体薄膜の厚みを増加させることが通常採用される。これにより、高い絶縁耐圧が得られるが、市場要求である高い静電容量を実現することが困難となってしまう。このように、これまでの改善策では、高い静電容量と高い絶縁耐圧はトレードオフの関係にあった。このため、高い静電容量と高い絶縁耐圧を実現するために、誘電体薄膜を構成する誘電体組成物や、誘電体薄膜の製造方法の改善がなされている。その結果、高い静電容量を得るために必要な高い比誘電率を有する誘電体薄膜や、絶縁耐圧を得られ易い製造方法が見出されてきた。

特許文献１では、高い比誘電率と高い絶縁耐圧を実現するために、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Ｂａ_１−ｘＣａ_ｘＺｒ_ｙＴｉ_１−ｙＯ_３（但し、０＜ｘ＜０．２、０＜ｙ＜１）で表わされる誘電体薄膜に関する技術が開示されている。前記特許文献１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、得られた絶縁耐圧の最大値が４０ｋＶ／ｍｍ（４０Ｖ／μｍ）程度であり、市場要求を満足するに至っていない。

また、特許文献２には、高い絶縁耐圧を実現するために、誘電体薄膜の成膜プロセス以外にも存在するヒロックの発生要因を解明し、その際の条件を制御することでヒロックを抑制し、リーク電流特性及び絶縁耐圧特性に優れた薄膜キャパシタを製造する技術についての開示がある。前記特許文献２には、比誘電率の記載がないが、前記特許文献２に記載と同一の組成の誘電体薄膜に関して記載している特許文献３および特許文献４によれば、比誘電率は５００未満であり、市場要求を満足するものではない。

特開２０００−１７３３４９号公報特開２０１２−１５５０５号公報特願平９−１５７００８号公報特開２００６−１２８６５７号公報

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、高い比誘電率を有する誘電体薄膜を備え、高い絶縁耐圧を有する誘電体薄膜素子を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、第１の電極と、前記第１の電極上に形成された誘電体薄膜と、前記誘電体薄膜上に形成された第２の電極とを備えた誘電体薄膜素子であって、前記誘電体薄膜は、ＢａＴｉＯ_３を主成分とした第１の誘電体と、組成式[ＢａＯ]_ｍ[ＴｉＯ_２]で表した場合、前記組成式中のｍが０．４０≦ｍ≦０．６０である第２の誘電体とから成り、前記第２の誘電体は、前記第１の電極と少なくとも接し、かつ、島状であることを特徴とする。

上記の特徴を有する誘電体薄膜素子を形成することで、高い比誘電率を有する誘電体薄膜を備えた誘電体薄膜素子であっても、高い絶縁耐圧を実現できる。発明者らは、このような効果が得られる要因を次のように考えている。ただし、作用は以下のものに限定されない。

発明者らは、前記第２の誘電体のｍを本発明の範囲内にすることで、前記第２の誘電体の比誘電率の低下が小さく、島状であることで、誘電体薄膜の比誘電率の低下を抑制するとともに、前記第２の誘電体が、前記第１の電極と接し、かつ、島状であることで、局所的に、絶縁耐圧が低い部分を被覆し、絶縁耐圧を改善することを見出した。

前記第２の誘電体と前記第１の誘電体の誘電率の差が小さい理由については、現在のところ不明であるが、前記第１の誘電体と前記第２の誘電体の構成元素が、いずれもＢａ、Ｔｉ、Ｏで共通していることから、前記第１の誘電体と前記第２の誘電体の界面の整合性が高いために、組成を大きく変更しても比誘電率の低下が少なくなったと考えている。さらに、島状であることで前記第１の電極と、前記第２の電極の間に、比誘電率が高い前記第１の誘電体のみが存在する領域が広いことで、比誘電率の低下が小さいものと考えている。

前記第２の誘電体が、絶縁耐圧が低い部分を被覆し、絶縁耐圧が改善する理由についても、現在のところ不明であるが、前記第２の誘電体のｍを本発明の範囲内にすることで、前記第１の電極と前記第１の誘電体の間で、たとえば段差があり、電界を印加した時に、電界が集中しやすい部分に、前記第２の誘電体が形成されやすく、さらに、前記第２の誘電体が数ｎｍの微結晶で構成されていることにより、電流の導通経路となる低抵抗の粒界が生成されないことから、絶縁耐圧が高くなると考えている。

さらに、本発明の望ましい態様としては、前記誘電体薄膜の厚みをＴ１、前記誘電体薄膜の厚みに平行な断面における前記第２の誘電体の高さをＴ２、前記断面における前記第２の誘電体の前記第１の電極と接している幅をＷ２としたとき、０．００５≦Ｔ２／Ｔ１≦０．２５０、および０．００５≦Ｗ２／Ｔ１≦０．５００であることが好ましい。

第２の誘電体の島状の形状を０．００５≦Ｔ２／Ｔ１≦０．２５０、および０．００５≦Ｗ２／Ｔ１≦０．５００とすることで、さらに高い比誘電率を維持しつつ、絶縁耐圧を向上させることができる。

また、本発明の望ましい態様としては、前記第２の誘電体が、前記第１の電極を１０％〜５０％被覆していることが好ましい。

前記第２の誘電体が、前記第１の電極の１０％〜５０％を被覆することで、より高い絶縁耐圧を実現することが可能になる。

本発明の望ましい態様としては、前記第１の誘電体が（１１１）面に優先配向していることが好ましい。

前記第１の誘電体が（１１１）面に優先配向していることで、さらに絶縁耐圧が高くなる傾向にある。

本発明によれば、高い比誘電率をを有する誘電体薄膜を備え、高い絶縁耐圧を有する誘電体薄膜素子を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る薄膜コンデンサの断面図である。実施例１における、誘電体薄膜の厚み方向断面の、第２の誘電体付近の、ＳＴＥＭ−ＨＡＡＤＦ（ＳｃａｎｎｉｎｇＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ − Ｈｉｇｈ−ＡｎｇｌｅＡｎｎｕｌａｒＤａｒｋ−Ｆｉｅｌｄ）像である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。

＜薄膜コンデンサ１０＞
図１に示されるように、本実施態様にかかる薄膜コンデンサ１０は、支持基板１上に、第１の電極２と、第２の電極４と、第１の電極２および第２の電極４の間に設けられた誘電体薄膜３とを備えている。薄膜コンデンサ１０の形状は特に限定されず、所望の大きさとすればよい。また、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。支持基板１がなくても、薄膜コンデンサ１０全体の機械的強度が確保できる場合は、支持基板１は設けなくても良い。

＜支持基板１＞
支持基板１の材料は特に限定されないが、単結晶（たとえば、ＳｒＴｉＯ_３単結晶、ＭｇＯ単結晶、ＬａＡｌＯ_３単結晶など）、アモルファス材料（たとえば、ガラス、溶融石英、ＳｉＯ_２／Ｓｉなど）、その他の材料（たとえば、ＺｒＯ_２／Ｓｉ、ＣｅＯ_２／Ｓｉなど）などで構成される。支持基板１の厚みは、特に限定されず、たとえば１００μｍ〜２０００μｍ程度である。

＜第１の電極２＞
第１の電極２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、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属などによって形成することができる。なお、第１の電極２を支持基板１上に形成する前に、支持基板１と第１の電極２との密着性を向上させるために、支持基板１上に密着層を形成してもよい。密着層を形成するための材料は、支持基板１と第１の電極２を接着するものであれば、とくに限定されるものではなく、例えばチタン（Ｔｉ）やクロム（Ｃｒ）などによって、密着層を形成することができる。第１の電極２の厚さは、薄膜コンデンサの電極として機能することができれば、とくに限定されるものではなく、たとえば、０．０１μｍ〜５０００μｍに設定することができる。

＜誘電体薄膜３＞
誘電体薄膜３は、ＢａＴｉＯ_３を主成分とした第１の誘電体３ａと、組成式[ＢａＯ]_ｍ[ＴｉＯ_２]で表した場合、前記組成式中のｍが０．４０≦ｍ≦０．６０、より好ましくは０．４５≦ｍ≦０．５５である第２の誘電体３ｂとから成り、前記第２の誘電体３ｂは、前記第１の電極２と少なくとも接し、かつ、島状である。前記第２の誘電体３ｂの形状は、不連続の島状であれば、半円形や、四角形などの定形でも、不定形でも良い。

上記の特徴を有することで、高い比誘電率を有し、かつ、高い絶縁耐圧を実現できる。

さらに、本発明の望ましい態様としては、前記誘電体薄膜３の厚みをＴ１、前記誘電体薄膜３の厚みに平行な断面における前記第２の誘電体の高さをＴ２、前記断面における前記第２の誘電体の前記第１の電極２と接している幅をＷ２としたとき、０．００５≦Ｔ２／Ｔ１≦０．２５０、より好ましくは０．０５０≦Ｔ２／Ｔ１≦０．２００、および０．００５≦Ｗ２／Ｔ１≦０．５００、より好ましくは０．００５≦Ｗ２／Ｔ１≦０．２５０であることが好ましい。

前記第１の誘電体が（１１１）面に優先配向していることで、電圧印加方向に対して、自発分極方向が斜めになり、電圧印加による自発分極方向の変化が小さい。このため結晶構造変位が小さく、さらに絶縁耐圧が高くなる傾向にある。

誘電体薄膜３は、本発明の効果である比誘電率や絶縁耐圧を大きく劣化させるものでなければ、微少な不純物や副成分を含んでいてもかまわない。よって、残部である主成分の含有量は特に限定されるものではないが、たとえば前記主成分を含有する誘電体組成物全体に対して８０ｍｏｌ％以上、１００ｍｏｌ％以下である。

誘電体薄膜３の厚さは、用途に応じて適宜設定すればよいが、例えば、１０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度である。誘電体薄膜３の厚さが１０ｎｍ未満であると、結晶成長が抑制されて、比誘電率が低下する可能性がある。誘電体薄膜３の厚さが１０００ｎｍ以上であると、セラミックスの脆性が顕著になり、誘電体薄膜作製時、もしくは埋め込み工程中に誘電体薄膜にクラックが発生する可能性がある。

実施形態として誘電体薄膜の形状は特に限定されない。例えば、長方形や円形でも良い。

＜第２の電極４＞
第２の電極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、第１の電極２と同様な材料によって形成することができる。さらに、前記第２の電極４については、室温で形成することができるため、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）などの卑金属や、珪化タングステン（ＷＳｉ）、珪化モリブデン（ＭｏＳｉ）などの合金を用いて、上部電極構造体の薄膜を形成することもできる。第２の電極４の厚さは、薄膜コンデンサの電極として機能することができれば、とくに限定されるものではなく、たとえば、１０ｎｍ〜１００００ｎｍに設定することができる。

次に本実施形態の薄膜コンデンサ１０の製造方法を説明する。

まず、Ｓｉウェハ表面に、酸化性ガス雰囲気下、ドライ酸化又はウェット酸化を施すことにより熱酸化膜（ＳｉＯ_２）を形成し、支持基板１とする。

次に、支持基板１上に、たとえばスパッタリング法により、密着層としてＴｉを成膜する。なお、前記密着層は、前記支持基板１と後述の第１の電極２との接着が十分であれば、特に設けなくてもよい。

次に、前記Ｔｉ上に、たとえばスパッタリング法により、第１の電極２であるＰｔ薄膜を形成する。

次に、前記第１の電極２上に、第２の誘電体３ｂを形成する。第２の誘電体３ｂは、真空蒸着法、スパッタリング法、パルスレーザー蒸着法（ＰｕｌｓｅｄＬａｓｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＬＤ）、有機金属化学気相成長法（Ｍｅｔａｌ−ＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）、有機金属分解法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＤｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＤ）またはゾル・ゲル法などの各種薄膜形成法を用いて、形成することができる。

スパッタリング法の場合、所望の組成のターゲットを用いて、前記Ｐｔ薄膜上に、第２の誘電体３ｂを形成する。条件は、雰囲気のアルゴン（Ａｒ）／酸素（Ｏ_２）比が、好ましくは１／１〜５／１であり、支持基板温度が、好ましくは８５０℃〜１０００℃である。第２の誘電体３ｂのスパッタ条件を、この範囲にすることにより、第２の誘電体３ｂの形状を島状にすることができる。

本実施形態に関わる第２の誘電体３ｂは、さらに、所望の特性に応じて、その他の成分、たとえば、遷移元素や希土類元素、アルカリ土類金属元素などの成分を含有してもよい。

次に、前記第２の誘電体３ｂ上に、第１の誘電体３ａを形成する。第１の誘電体３ａは、真空蒸着法、スパッタリング法、ＰＬＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＯＤ法またはゾル・ゲル法などの各種薄膜形成法を用いて、形成することができる。

スパッタリング法の場合、ＢａＴｉＯ_３のターゲットを用いて、前記第２の誘電体３ｂ上に、第１の誘電体３ａを形成する。条件は、雰囲気のＡｒ／Ｏ_２比が、好ましくは１／１〜５／１であり、支持基板温度が、好ましくは５００℃〜７００℃である。第１の誘電体３ａのスパッタ時の支持基板温度を、第２の誘電体３ｂのスパッタ時の支持基板温度より１００℃以上低く、かつ５００℃以上とすることにより、第２の誘電体３ｂの島の形状を変形させることなく、第１の誘電体３ａと第２の誘電体３ｂの整合性を、より高められる。

上記スパッタリング法による第１の誘電体３ａの成膜時に、基板の温度を制御することで、前記第１の誘電体３ａの配向面を制御することができる。特に本発明においては、第２の誘電体３ｂの構成元素が、Ｂａ、Ｔｉ、Ｏで、第１の誘電体３ａと共通していることから、第２の誘電体３ｂと第１の誘電体３ａの界面の整合性が高いために、第２の誘電体薄膜の成膜初期から欠陥が少なく、配向性が高い誘電体薄膜が得られる。

本実施形態に関わる第１の誘電体３ａは、さらに、所望の特性に応じて、その他の成分、たとえば、遷移元素や希土類元素、アルカリ土類金属元素などの成分を含有してもよい。

次いで、得られた前記第１の誘電体３ａ上に、たとえばスパッタリング法にて第２の電極４であるＰｔ薄膜を形成し、薄膜コンデンサ１０が得られる。

上述した実施形態では、本発明に係る薄膜コンデンサを例示したが、本発明に係る誘電体薄膜素子としては、薄膜コンデンサに限定されず、上記誘電体膜を備える誘電体素子であれば何でも良い。

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、上述した実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々に改変することができる。

以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。

［実施例１］
厚さ５００μｍのＳｉウェハを酸化性ガスの乾燥した雰囲気下、熱処理することにより、厚さ５００ｎｍのＳｉＯ_２膜を形成して、支持基板とした。

次に、前記支持基板上に、スパッタリング法により厚さ２０ｎｍのＴｉ膜を形成した。

次に、Ｐｔを貴金属材料として用い、スパッタリング法により、上記Ｔｉ膜上に厚さ１００ｎｍの第１の電極を形成した。

ＢａＴｉＯ_３よりなる第１の誘電体および、組成式[ＢａＯ]_ｍ[ＴｉＯ_２]で表される第２の誘電体を形成するために必要な、スパッタリング用のターゲットは、いずれも、ＢａＣＯ_３粉体とＴｉＯ_２粉体を混合加熱する、固相法にて作製した。なお、ターゲット中のＢａＣＯ_３、ＴｉＯ_２の組成比は、第１の誘電体のスパッタリング用のターゲットは化学量論比組成が得られるように原料粉を調整し、第２の誘電体のスパッタ用のターゲットはｍ＝０．４になるように原料粉を調整した。

次いで、ボールミル中で水を溶媒として２０時間、湿式混合し、混合粉末を１００℃にて乾燥させた。

得られた混合粉末をプレスして成形体を得た。成形条件は、圧力：１００Ｐａ、温度：２５℃、プレス時間：３分とした。

その後、成形体を保持温度：１３００℃、温度保持時間：１０時間、雰囲気：空気中にて焼結させた。

そして、得られた焼結体を、平面研削盤と円筒研磨機により直径２００ｍｍ、厚さ６ｍｍに加工して前記誘電体薄膜を形成するために必要な、スパッタリング用ターゲットを得た。

次に、前記第１の電極上に、前記第２の誘電体のスパッタ用ターゲットを用いて、雰囲気：Ａｒ／Ｏ_２＝３／１、圧力：１．０Ｐａ、高周波電力：４５０Ｗ、支持基板温度：９００℃の条件で、スパッタリング法により、第２の誘電体を得た。誘電体の厚みは、前記第２の誘電体による前記第１の電極の被覆率が１００％になった場合の厚みに換算したとき、５．０ｎｍになるようにした。

次に、前記第２の誘電体上に、前記第１の誘電体のスパッタ用ターゲットを用いて、雰囲気：Ａｒ／Ｏ_２＝３／１、圧力：１．０Ｐａ、高周波電力：４５０Ｗ、支持基板温度：７００℃の条件で、スパッタリング法により、第１の誘電体を形成し、誘電体薄膜を得た。誘電体薄膜の厚みは２００ｎｍとした。

次いで、得られた前記誘電体薄膜上に、スパッタリング法にて第２の電極であるＰｔ薄膜を、マスクを使って、直径５ｍｍ、厚さ５０ｎｍとなるように形成し、薄膜コンデンサを得た。

［実施例２〜実施例２０および比較例１、比較例２、比較例４、比較例５］
表１に示すように条件を変更した以外は、実施例１と同様に薄膜コンデンサ試料を得た。

［比較例３］
第１の電極の形成までは、実施例１と同様に行った。

ＢａＴｉＯ_３よりなる第１の誘電体および、組成式[ＢａＯ]_ｍ[ＴｉＯ_２]で表される第２の誘電体を形成するために必要な、スパッタリング用のターゲットは、いずれも、ＢａＣＯ_３粉体とＴｉＯ_２粉体を混合加熱する、固相法にて作製した。なお、ターゲット中のＢａＣＯ_３、ＴｉＯ_２の組成比は、第１の誘電体のスパッタリング用のターゲットは化学量論比組成が得られるように原料粉を調整し、第２の誘電体のスパッタ用のターゲットはｍ＝０．５になるように原料粉を調整した。

次に、前記第１の電極上に、前記第１の誘電体のスパッタ用ターゲットを用いて、雰囲気：Ａｒ／Ｏ_２＝３／１、圧力：１．０Ｐａ、高周波電力：２００Ｗ、支持基板温度：７００℃の条件で、スパッタリング法により、第１の誘電体を形成した。厚みは１００ｎｍとした。

次に、前記第１の誘電体上に、前記第２の誘電体のスパッタ用ターゲットを用いて、雰囲気：Ａｒ／Ｏ_２＝３／１、圧力：１．０Ｐａ、高周波電力：４５０Ｗ、支持基板温度：９００℃の条件で、スパッタリング法により、第２の誘電体を得た。誘電体の厚みは、前記第２の誘電体による前記第１の誘電体の被覆率が１００％になった場合の厚みに換算したとき、５．０ｎｍになるようにした。

次に、前記第２の誘電体上に、前記第１の誘電体のスパッタ用ターゲットを用いて、雰囲気：Ａｒ／Ｏ_２＝３／１、圧力：１．０Ｐａ、高周波電力：２００Ｗ、支持基板温度：７００℃の条件で、スパッタリング法により、厚み９５ｎｍで第１の誘電体を形成し、厚み２００ｎｍの誘電体薄膜を得た。

実施例１〜２０および比較例１〜５で得られた薄膜コンデンサについて、比誘電率、絶縁耐圧、第２の誘電体の組成、第２の誘電体が第１の電極を被覆している被覆率、第２の誘電体の高さＴ２、第２の誘電体の第１の電極と接している幅Ｗ２および、誘電体薄膜の配向方向を、それぞれ下記に示す方法により測定した。

＜比誘電率＞
比誘電率は、薄膜コンデンサに対し、デジタルＬＣＲメータ（ＹＨＰ社製４２７４Ａ）にて、周波数１ｋＨｚ、測定電圧は１Ｖｒｍｓ／μｍになるように各実施例、比較例の誘電体薄膜の厚みから計算された電圧を用いて測定された静電容量Ｃから算出した（単位なし）。比誘電率は高いほうが好ましく、本実施例では、１０００以上を良好とした。

＜絶縁耐圧＞
薄膜コンデンサに対し、直流電圧を０Ｖからスタートし、１Ｖ／秒の昇圧速度で印加した際に、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個の試料について行い、絶縁耐圧の平均値が５０ｋＶ／ｍｍ以上の試料を良好であると判断した。

＜第２の誘電体の組成＞
薄膜コンデンサの断面が観察できるように、ＦＩＢ（ＦｏｃｕｓｅｄＩｏｎＢｅａｍ）によって薄片化サンプルに加工した後に、前記薄片化サンプルの観察をＳＴＥＭ−ＨＡＡＤＦにて行い、ＳＴＥＭ−ＥＤＸ（ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ−ｒａｙｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）にて、第２の誘電体の組成分析を行った。前記組成分析は、１つの試料について１０個の第２の誘電体に対して行った。比較例４の試料は、第２の誘電体の中で、５００ｎｍ以上離れた点の、１０か所の組成分析を行った。前記１０個または１０か所の第２の誘電体の組成の平均値を、前記試料における第２の誘電体の組成とし、前記組成式中のｍを算出し、ターゲットの組成とズレが無いことを確認した。

＜第２の誘電体が第１の電極を被覆している被覆率＞
前記ＳＴＥＭ−ＨＡＡＤＦの像における、第１の電極の幅および、すべての第２の誘電体の第１の電極と接している幅の合計を測長し、前記第１の電極の幅に対する、前記すべての第２の誘電体の第１の電極と接している幅の合計の比を、第２の誘電体が第１の電極を被覆している被覆率とした。

＜第２の誘電体の高さＴ２＞
前記ＳＴＥＭ−ＨＡＡＤＦの像から、第２の誘電体の最も高い部分を高さＴ２として測長した。前記Ｔ２の測長は、１つの試料について１０個の第２の誘電体に対して行い、前記１０個のＴ２の平均値を、前記試料におけるＴ２とした。

＜第２の誘電体の第１の電極と接している幅Ｗ２＞
前記ＳＴＥＭ−ＨＡＡＤＦの像から、第２の誘電体の第１の電極と接している幅Ｗ２を測長した。前記Ｗ２の測長は、１つの試料について１０個の第２の誘電体に対して行い、前記１０個のＷ２の平均値を、前記試料におけるＷ２とした。

＜誘電体薄膜の配向方向＞
誘電体薄膜に対し、Ｘ線回折による測定を行い、回折パターンを得て、結晶配向性を評価した。Ｘ線回折のＸ線源としてＣｕ−Ｋα線を用い、その測定条件は、電圧４５ｋＶ、電流２００ｍＡ、２θ＝２０°〜７０°の範囲とした。

前記、Ｘ線回折のデータには、第２の誘電体の回折パターンも含まれるが、第１の誘電体とはピーク位置が異なることから、第１の誘電体の配向方向の評価に影響を与えない。

また、本実施例と比較例の場合、ＴＥＭ観察により、第２の誘電体が、１０ｎｍ未満の微結晶の集合体であり、配向性を持っていないことが確認された。

表１に測定結果を示す。表中、第２の誘電体が電極と接しているとき、および島状である時を○、電極と接していないとき、および島状でないときを×とした。−は試料の構成上、記載不能な項目を示している。

表１に示すように、前記第２の誘電体の組成を、組成式[ＢａＯ]_ｍ[ＴｉＯ_２]で表した場合、前記組成式中のｍが０．４０≦ｍ≦０．６０であるとき、比誘電率を高く維持しつつ、良好な絶縁耐圧が得られることが確認された。

表１に示すように、第２の誘電体が島状で、かつ、前記第１の電極と接しているとき、比誘電率を高く維持しつつ、良好な絶縁耐圧が得られることが確認された。

表１に示すように、前記誘電体薄膜の厚みをＴ１、前記誘電体薄膜の厚みに平行な断面における前記第２の誘電体の高さをＴ２としたとき、Ｔ２／Ｔ１≦０．２５であるとき、比誘電率が特に高く、１０５０以上であることが確認された。

表１に示すように、前記誘電体薄膜の厚みをＴ１、前記誘電体薄膜の厚みに平行な断面における前記第２の誘電体の前記第１の電極と接している幅をＷ２としたとき、Ｗ２／Ｔ１≦０．５であるとき、絶縁耐圧が特に高く、６０ｋＶ／ｍｍ以上であることが確認された。

表１に示すように、第２の誘電体が、第１の電極を１０％〜５０％被覆しているとき、比誘電率が特に高く、１０５０以上であり、絶縁耐圧が特に高く、６０ｋＶ／ｍｍ以上であることが確認された。

表１に示すように、第１の誘電体が（１１１）面に優先配向しているとき、絶縁耐圧が特に高く、７０ｋＶ／ｍｍの絶縁耐圧が得られた。

以上に説明したように、本発明は、薄膜コンデンサ等の誘電体薄膜素子に関わるものであり、本発明は高い静電容量を実現するために誘電体薄膜としては高い比誘電率を有し、かつ、良好な絶縁耐圧を有する誘電体薄膜素子を提供することができる。それにより、薄膜コンデンサ等の誘電体薄膜素子の、小型化、高機能化を図ることができる。本発明の誘電体薄膜素子は、例えば、トランジスタなどの能動素子に組み込み、集積回路等に用いることができる

１・・・支持基板
２・・・第１の電極
３・・・誘電体薄膜
３ａ・・・第１の誘電体
３ｂ・・・第２の誘電体
４・・・第２の電極
１０・・・薄膜コンデンサ
Ｔ２・・・第２の誘電体の高さ
Ｗ２・・・第２の誘電体の第１の電極と接している幅

Claims

第１の電極と、前記第１の電極上に形成された誘電体薄膜と、前記誘電体薄膜上に形成された第２の電極とを備えた誘電体薄膜素子であって、前記誘電体薄膜は、ＢａＴｉＯ_３を主成分とした第１の誘電体と、組成式[ＢａＯ]_ｍ[ＴｉＯ_２]で表した場合、前記組成式中のｍが０．４０≦ｍ≦０．６０である第２の誘電体とから成り、前記第２の誘電体は、前記第１の電極と少なくとも接し、かつ、島状であることを特徴とする誘電体薄膜素子。
前記誘電体薄膜の厚みをＴ１、前記誘電体薄膜の厚みに平行な断面における前記第２の誘電体の高さをＴ２、前記断面における前記第２の誘電体の前記第１の電極と接している幅をＷ２としたとき、０．００５≦Ｔ２／Ｔ１≦０．２５０、および０．００５≦Ｗ２／Ｔ１≦０．５００であることを特徴とした、請求項１に記載の誘電体薄膜素子。
前記第２の誘電体が、前記第１の電極を１０％〜５０％被覆していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の誘電体薄膜素子。
前記第１の誘電体が（１１１）面に優先配向していることを特徴とする、請求項１および請求項２および請求項３のいずれか１項に記載の誘電体薄膜素子。