JP6885110B2 - 誘電体膜および電子部品 - Google Patents

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Description

本発明は誘電体膜および電子部品に関する。
スマートフォンやタブレットに代表される移動体通信機器の更なる高速大容量通信化に対応するために複数の周波数帯域を同時に用いるＭＩＭＯ技術（Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）の実用化が始まっている。通信に使用する周波数帯域が増えると、周波数帯域毎にそれぞれ高周波部品が必要となるが、機器サイズを維持したまま部品点数を増やすには、各部品の更なる小型化、高機能化が求められる。
このような高周波対応の電子部品として、例えばダイプレクサやバンドパスフィルタ等がある。これらはいずれもキャパシタを担う誘電体とインダクタを担う磁性体の組み合わせによって構成されているが、良好な高周波特性を得るためには、高周波領域でのそれぞれの損失を抑制することが求められる。
誘電体に着目すると、（１）小型化の要求への対応として、キャパシタ部の面積を小さくするために、比誘電率（εｒ）が高いこと、（２）周波数の選択性を良好にするために、誘電損失が小さい、すなわちＱ値が高いこと、（３）絶縁破壊電圧が高いこと、などが要求される。
例えば一般にアモルファスＳｉＮｘ膜は、高周波（２ＧＨｚ）でのＱ値が５００程度と高く、絶縁破壊電圧も５００Ｖ／μｍ〜７００Ｖ／μｍ程度と高いため高周波対応の電子部品に広く使用されているが、比誘電率が７程度と低いことから、目的の機能を持たせるためには大きな電極面積が必要になり、小型化の要求に応えていくことが困難であった。また、近年の通信技術の進歩に伴い、高周波部品のさらなる特性向上が望まれており、すなわち、さらなる高いＱ値及び高い絶縁破壊電圧を有する誘電体が求められている。このような要求に応えるため、ＭｇＯやＣａＯ等に代表されるＮａＣｌ型のアルカリ土類金属を主成分とした誘電体膜が近年検討され始めている。この理由としては、１μｍ以上の厚膜において、前記アモルファスＳｉＮｘ膜の特性を上回る特性、つまり、高い比誘電率（＞７）と高いＱ値（＞５００）及び絶縁破壊電圧（＞７００Ｖ／μｍ）を有するためである。
非特許文献１には、ＮａＣｌ型結晶構造を有するＭｇＯ厚膜を１μｍ未満の薄膜にした技術が開示されている。作製されたＭｇＯ薄膜は厚さ２６０ｎｍであり、測定周波数１ＫＨｚにおいてεｒ＝７、Ｑ＝２０を示し、絶縁破壊電圧（Ｖｂｄ）は８０Ｖ／μｍあると報告されている。
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌ−Ｇｅｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ９， ２９５−３０１（１９９７）『Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＭｇＯ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ Ｓｏｌ−Ｇｅｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ』
非特許文献１で得られた誘電体膜の特性を見て分かるように、従来、ＭｇＯ厚膜において得られていた高い比誘電率と、高いＱ値及び絶縁破壊電圧が、薄膜化することで急激に低下している。得られた誘電体膜の特性値を見ても、前記アモルファスＳｉＮｘ膜の特性を下回っており、当然、高周波部品に用いるには不十分である。このように、ＮａＣｌ型のアルカリ土類金属を主成分とする誘電体膜は、薄膜において良好な特性を示し難いという課題があった。現在のところ、この原因の一つとして、誘電体膜の膜構造が最適化されていないことが考えられている。
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、ＮａＣｌ型結晶構造を有するアルカリ土類金属酸化物を主成分とする誘電体膜において、膜厚を１μｍ以下にした場合でも、高い比誘電率と高いＱ値、および高い絶縁破壊電圧を有する誘電体膜およびその誘電体膜を用いた電子部品を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明にかかる誘電体膜は、
ＮａＣｌ型結晶構造を有するアルカリ土類金属酸化物を主成分とする誘電体膜において、
前記誘電体膜は面直方向に（１１１）配向した柱状構造を有し、
前記誘電体膜のＣｕ−ＫαＸ線回折チャートにおいて、（１１１）の回折ピークの半値幅が０．３°〜２．０°であることを特徴とする。
ＮａＣｌ型結晶構造を有するアルカリ土類金属酸化物を主成分とする誘電体膜が、上記の特徴を有することで、膜厚を１μｍ以下にした場合でも、高い比誘電率と高いＱ値、および高い絶縁破壊電圧を示す誘電体膜およびその誘電体膜を用いた電子部品を作製することが可能となる。
また、上記本発明に係る誘電体膜を使用することにより、従来高周波対応の電子部品に用いられてきた誘電体膜と比較して、高い比誘電率が得られるため小型化に対応することが可能となる。また、従来の誘電体膜よりもＱ値が高く、すなわち、高いＳ／Ｎ比を示し、更に絶縁破壊電圧が高く、すなわち、高いＥＳＤ特性を有する誘電体共振器や誘電体フィルタ等の電子部品を提供することができる。
本発明は、ＮａＣｌ型結晶構造を有するアルカリ土類金属酸化物を主成分とする誘電体膜において、膜厚を１μｍ以下にした場合でも、高い比誘電率と高いＱ値、および高い絶縁破壊電圧を有する誘電体膜およびその誘電体膜を用いた電子部品を提供することが出来る。
図１は、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 図２は、本発明の一実施形態における誘電体膜の柱状構造を示す図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る誘電体膜のＣｕ−ＫαＸ線回折チャートである。
以下、本発明の好適な実施形態について、場合により図面を参照して説明する。
＜薄膜コンデンサ１０＞
図１は、本発明の一実施形態に係る誘電体膜を用いた電子部品の一例である薄膜コンデンサ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と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。
薄膜コンデンサの形状に特に制限はないが、通常、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。
＜支持基板１＞
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単結晶を支持基板１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比抵抗が異なる。比抵抗が低い材料を支持基板１として使用する場合、そのまま使用すると支持基板１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、ＳｉＮｘなどの絶縁層を形成してもよく、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。
＜下地層２＞
本実施形態において、絶縁処理を施した支持基板１表面に、下地層２を備えることが好ましい。下地層２は、支持基板１と下部電極３と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。
前記下地層２は、支持基板１と下部電極３との密着性向上を目的としていることから、前記一例として挙げた材料に限定されるものではない。また、支持基板１と下部電極３との密着性を保つことが出来れば、下地層２は省略しても良い。
＜下部電極３＞
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、コストや誘電体膜５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。誘電体膜５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、１０ｎｍ以上が好ましい。１０ｎｍ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。
下部電極３の形成後に熱処理を行い、下地層２と下部電極３の密着性向上と、下部電極３の安定性向上を図っても良い。熱処理を行う場合、昇温速度は好ましくは１０℃／分〜２０００℃／分、より好ましくは１００℃／分〜１０００℃／分である。熱処理時の保持温度は、好ましくは１００℃〜８００℃、その保持時間は、好ましくは０．１時間〜４．０時間である。上記の範囲を超えると、密着不良や、下部電極３表面に凹凸が発生し易くなり、誘電体膜５の誘電特性が低下し易い。
＜誘電体膜５＞
誘電体膜５は、ＮａＣｌ型結晶構造を有するアルカリ土類金属酸化物を主成分とし、面直方向に（１１１）配向した柱状構造を有し、誘電体膜のＣｕ−ＫαＸ線回折チャートにおいて、（１１１）の回折ピークの半値幅が０．３°〜２．０°であることを特徴とする。
上記の特徴を有する誘電体膜は、膜厚を１μｍ以下にした場合でも、高い比誘電率と高いＱ値、および高い絶縁破壊電圧を有することが可能となる。
本発明者らは、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。まず、高い比誘電率と高いＱ値が実現できた要因について説明する。一般的に、結晶の対称性が良く、原子や分子が規則的に並んでいる状態、すなわち結晶性が良い場合、高い比誘電率とＱ値を持つことが知られている。結晶性の良い誘電体を薄膜にする際、従来の結晶構造が崩れ易く、結晶の対称性が乱れ、原子や分子の配列が維持されなくなり、すなわち結晶性が低下するため、比誘電率とＱ値が低下し易い傾向となる。
ＮａＣｌ型結晶構造を有するアルカリ土類金属酸化物を主成分とする誘電体膜においても、上記に示したような高い結晶性を有しているため、薄膜化した際に従来の技術では、結晶性が低下し、高い比誘電率や高いＱ値が得られなかったものと考えている。このため、薄膜化した際に従来の高い結晶性を維持する必要があり、ＮａＣｌ型結晶構造を有するアルカリ土類金属酸化物を主成分とする誘電体膜においては、誘電体膜の面直方向に（１１１）に配向した柱状構造を誘電体膜内に備えることで、結晶構造の乱れ、つまり結晶性の低下を抑制することが可能となり、その結果、薄膜化しても、高い比誘電率と高いＱ値を得ることが出来たものと考えている。一方、（１１１）に配向した柱状構造を備えない場合、薄膜化した際に結晶性が低下してしまい、高い比誘電率及び高いＱ値を得ることが困難となる。
上記に示した本発明の特徴の一つである柱状構造について説明する。
本発明の柱状構造とは、図２に示すように、誘電体膜の垂直方向の断面で観察した場合、誘電体膜の厚み方向に長い結晶子６を備えている構造のことを意味している。本発明の柱状構造は、誘電体膜全体に支持基板表面の法線方向または±５°に沿って延び、図２中に記載されているＨとＬの比、つまり、アスペクト比が（Ｈ／Ｌ）≧２を満足する結晶子からなる構造となっている。
次に、高い絶縁破壊電圧が実現できた要因について説明する。一般的に配向した柱状構造を有する誘電体膜は、粒界が膜厚方向に多数存在する構造のため、絶縁破壊電圧が低いと言われている。このため、多くの場合、誘電体膜を構成している結晶粒子の形状を球状化し、膜厚方向以外にも多数の粒界を形成することで伝導パスを複雑化し、絶縁破壊電圧を改善している。しかし、この方法では、膜厚方向以外に多くの粒界が形成されるため、Ｑ値が低下し易いという課題があった。そこで、本発明では、球状の結晶粒子を形成するのではなく、本発明の特徴である柱状構造を構成する結晶子のアスペクト比は維持したまま結晶子のサイズを微細化することで、Ｑ値を低下させず、高い絶縁破壊電圧を実現した。
上記のように、柱状構造を構成する結晶子のサイズを小さくした場合、前記結晶子の存在は、ＣｕＫα線を用いて測定した場合、図３に示すようなＸ線回折チャートで得られる回折ピークの半値幅で確認でき、本発明でいうと（１１１）の回折ピークの半値幅で、結晶子のサイズを確認できる。前記半値幅が小さいほど、結晶子のサイズは大きく、半値幅の値が大きいほど、結晶子のサイズが小さいことを意味している。
本発明の実施形態に係る誘電体膜５は、誘電体膜のＣｕ−ＫαＸ線回折チャートにおいて、（１１１）の回折ピークの半値幅が０．３°〜２．０°であることで、柱状構造が小さな結晶子から構成されることになるため、高い比誘電率と高いＱ値を維持しつつ、より高い絶縁破壊電圧を得ることが出来る。前記半値幅が０．３°未満の場合、柱状構造を構成する結晶子のサイズが大きくなりすぎてしまい、高い絶縁破壊電圧が得られ難い傾向となってしまう。一方、半値幅が２．０°を超えると結晶子のサイズが小さくなりすぎてしまい、結晶性が低下しまい、高い比誘電率及び高いＱ値を得ることが困難となってしまう。
以上のように、高い結晶性を有するＮａＣｌ型結晶構造を有するアルカリ土類金属酸化物を主成分とする誘電体膜が、面直方向に（１１１）配向した柱状構造を備え、かつＣｕ−ＫαＸ線回折チャートにおいて、（１１１）の回折ピークの半値幅を０．３°〜２．０°にすることで、高い比誘電率と高いＱ値、および高い絶縁破壊電圧を得ることが可能となる。
また、本発明の望ましい態様としては、誘電体膜５が、ＮａＣｌ型結晶構造を有するアルカリ土類金属酸化物を主成分の他に、副成分としてＴａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｚｎのうち少なくとも一種類の元素を含むことが好ましい。
副成分としてＴａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｚｎのうち少なくとも一種類の元素を含むことで、柱状構造を構成する結晶子のサイズを制御し易くなると共に、柱状構造自体の絶縁抵抗を高める効果がより強くなる。その結果、副成分が含まれない場合と比較し、副成分を含むことで、より高い絶縁破壊電圧を得ることが可能となる。
また、前記副成分の総含有量をｘとした場合、前記総含有量ｘが前記主成分に対して０ｍｏｌ％＜ｘ≦２０ｍｏｌ％の範囲であることが好ましい。
前記副成分の総含有量ｘを上記の範囲とすることで、柱状構造を構成する結晶子のサイズを制御し易くなる作用と柱状構造自体の絶縁抵抗を高める作用と共に、ＮａＣｌ型結晶構造を有するアルカリ土類金属酸化物を主成分とする誘電体膜が有している結晶性を高める作用が強くなる。その結果、高い絶縁破壊電圧を維持しつつ、Ｑ値をより高めることが可能となる。
誘電体膜５の厚さは、好ましくは１０ｎｍ〜２０００ｎｍ、より好ましくは５０ｎｍ〜１０００ｎｍである。１０ｎｍ未満では絶縁破壊が生じやすく、２０００ｎｍを超える場合においては、コンデンサの静電容量を大きくするために電極面積を広くする必要があり、電子部品の設計によっては小型化が困難となる場合がある。誘電体膜厚の計測はＦＩＢ（集束イオンビーム）加工装置で掘削し、得られた断面をＳＩＭ（走査型イオン顕微鏡）等で観察して測長すれば良い。
誘電体膜５は、好ましくは真空蒸着法、スパッタリング法、ＰＬＤ（パルスレーザー蒸着法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、ＭＯ−ＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＭＯＤ（有機金属分解法）やゾル・ゲル法、ＣＳＤ（化学溶液堆積法）などの各種薄膜形成法を用いて形成したものである。その際に使用する原料（蒸着材料、各種ターゲット材料や有機金属材料等）には微少な不純物や副成分が含まれている場合があるが、絶縁性を大きく低下させる不純物でなければ、特に問題はない。
また、本発明に係る誘電体膜５は、本発明の効果である比誘電率やＱ値、絶縁破壊電圧を大きく劣化させるものでなければ、微小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、例えば前記主成分を含有する誘電体膜全体に対し８０％以上、１００％以下である。
また、誘電体膜５は通常、本発明の誘電体膜のみで構成されるが、別の誘電体膜と組み合わせた積層構造であっても構わない。例えば、既存のＳｉ３Ｎｘ、ＳｉＯｘ、Ａｌ２Ｏｘ、ＺｒＯｘ、Ｔａ２Ｏｘ等のアモルファス誘電体膜や結晶膜との積層構造とすることで、誘電体膜５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。また、前記積層構造とすることで、誘電体膜５の大気暴露を抑制することも可能となる。
＜上部電極４＞
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。
上述した実施形態では、本発明の一実施形態に係る誘電体膜を用いた電子部品の一例としての、薄膜コンデンサを例示したが、本発明に係る誘電体膜を用いた電子部品としては、薄膜コンデンサに限定されず、たとえば、ダイプレクサ、バンドパスフィルタ、バランやカプラ等、誘電体膜を有する電子部品であれば何でも良い。
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＞＜比較例１＞
まず、３５０μｍ厚のＳｉの表面に６μｍ厚のＳｉＯ２絶縁層を備えた１０ｍｍ×１０ｍｍ角の支持基板の表面上に、下地層であるＣｒ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。
次いで、上記で形成したＣｒ薄膜の下地層上に下部電極であるＣｕ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た。
形成したＣｒ／Ｃｕ薄膜に対し、昇温速度を１０℃／分、保持温度を１５
０℃、温度保持時間を０．５時間、雰囲気を窒素雰囲気とし常圧下で熱処理を行った。
誘電体膜の形成にはスパッタリング法を用いた。誘電体膜の形成に必要なターゲットは次のように作製した。
まず、表１に示す試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．４７のＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｚｎの量となるようにＭｇＣＯ３、ＣａＣＯ３、ＳｒＣＯ３、ＢａＣＯ３、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、Ｖ２Ｏ５、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯの秤量を行い、１Ｌの広口ポリポットに秤量した原料粉末と無水エタノール、及びφ２ｍｍのＺｒＯ２ビーズを入れて２０時間の湿式混合を行った。その後、混合粉末スラリーを１００℃で２０時間乾燥させ、得られた混合粉末をＡｌ２Ｏ３坩堝に入れ、大気中１２５０℃で５時間保持し、仮焼粉末を得た。
得られた仮焼粉末を、一軸加圧プレス機を使用して成形体を得た。成形条件は、圧力：２．０×１０８Ｐａ、温度：室温とした。
その後、得られた成形体について、昇温速度を２００℃／時間、保持温度を１６００℃〜１７００℃、温度保持時間を１２時間とし、雰囲気は常圧の大気中で焼成を行った。
得られた焼結体の厚さが４ｍｍとなるように、円筒研磨機で両面を研磨し、誘電体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。
こうして得られたスパッタリング用ターゲットを用いて、下部電極上に８００ｎｍの厚さとなるように表１に示す成膜条件下でスパッタリング法を用いて誘電体膜を形成した。また、下部電極の一部を露出させるために、メタルマスクを使用して、誘電体膜が一部成膜されない領域を形成した。
Figure 0006885110
 なお、表中の「−」は含まれないことを意味している。
誘電体膜厚の計測はＦＩＢで掘削し、得られた断面をＳＩＭで観察して測長した。
成膜後の誘電体膜の組成は、すべての試料についてＸＲＦ（蛍光Ｘ線元素分析）を使用して分析を行い、表１に記載の組成であることを確認した。
さらに、得られたすべての誘電体膜について、結晶構造及び結晶性の確認をそれぞれ下記に示す方法により行った。
＜柱状構造＞
柱状構造は、誘電体膜の断面をＴＥＭ観察することで確認した。暗視野像にて結晶子のアスペクト比を計測し、そのアスペクト比が２以上の結晶子で構成されているものについて、柱状構造を有する膜と定義した。
＜結晶配向及び結晶性＞
誘電体膜に対し、Ｘ線回折（平行法）による測定を行い、回折パターンを得た。Ｘ線源としてＣｕ−Ｋα線を用い、その測定条件は、電圧４５ｋＶ、２００ｍＡ、２θ＝２０°〜８０°の範囲とした。誘電体膜の配向について、得られた回折パターンにおける、（１１１）のピークと、（２００）のピーク強度比を比較し、その比（（１１１）のピーク強度／（２００）のピーク強度）が１．５以上を示すものについて、（１１１）に配向していると定義した。また、結晶性を示す指標として、配向している面の半値幅を測定した。図３に得られた回折パターンから半値幅を測定した一例を示す。（実施例１試料Ｎｏ．１）
次いで、得られた上記誘電体膜上に、蒸着装置を使用して上部電極であるＡｇ薄膜を形成した。上部電極の形状を、メタルマスクを使用して直径１００μｍ、厚さ１００ｎｍとなるように形成することで、図１に示す構造の試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．４７を得た。
得られたすべての薄膜コンデンサ試料について、比誘電率、Ｑ値、絶縁破壊電圧の測定を、それぞれ下記に示す方法により行った。
＜比誘電率、Ｑ値＞
比誘電率、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インピーダンス／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の条件下で静電容量、誘電損失（ｔａｎδ）を測定し、測定された静電容量と膜厚の測定の結果より比誘電率を、Ｑ値は誘電損失の逆数（１／ｔａｎδ）から算出した（単位なし）。アモルファスＳｉＮｘ膜の比誘電率が７程度であったため、本発明においては、それより高い比誘電率であることを良好とした。また、アモルファスＳｉＮｘ膜のＱ値は約５００程度であったが、近年より高周波特性の良い部品が求められているため、Ｑの値が８５０以上を良好とした。
＜絶縁破壊電圧＞
絶縁破壊電圧は、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／微小電流計（ＡＤＶＡＮＴＥＳＴ Ｒ８３４０）に接続し、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桁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絶縁破壊電圧（Ｖｂｄ）（Ｖ／μｍ）とした。表２には、ｎ＝５の平均値を記載した。アモルファスＳｉＮｘの絶縁破壊電圧が５００Ｖ／μｍ〜７００Ｖ／μｍ程度であったが、近年よりＥＳＤ特性の良い部品が求められているため、絶縁破壊電圧が１２５０Ｖ／μｍ以上を良好とした。
Figure 0006885110
 なお、表中の○は、（１１１）配向の柱状構造がある場合で、×は前記構造を含まない場合を意味している。
試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．１４
表２より、ＮａＣｌ型結晶構造を有するアルカリ土類金属酸化物を主成分とする誘電体膜であって、前記誘電体膜は面直方向に（１１１）配向した柱状構造を有し、前記誘電体膜のＣｕ−ＫαＸ線回折チャートにおいて、（１１１）の回折ピークの半値幅が０．３°〜２．０°である試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．１４は、８００ｎｍという薄膜にしても、特性が良好であり、Ｑ値が８５０以上、絶縁破壊電圧が１２５０Ｖ／μｍ以上であることを確認できた。
試料Ｎｏ．１５〜試料Ｎｏ．３５
表２より、ＮａＣｌ型結晶構造を有するアルカリ土類金属酸化物を主成分とする誘電体膜であって、前記誘電体膜は面直方向に（１１１）配向した柱状構造を有し、前記誘電体膜のＣｕ−ＫαＸ線回折チャートにおいて、（１１１）の回折ピークの半値幅が０．３°〜２．０°であり、副成分としてＴａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｚｎのうち少なくとも一種類の元素を含む試料Ｎｏ．１５〜試料Ｎｏ．３５は、副成分を含まない試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．１４よりも、高い絶縁破壊電圧を有していることが確認できる。更に、主成分に対して０ｍｏｌ％＜ｘ≦２０ｍｏｌ％の範囲で副成分を含む試料Ｎｏ．１５〜試料Ｎｏ．２９は、特に特性が良好であり、Ｑ値が１０５０以上、絶縁破壊電圧が１３５０Ｖ／μｍ以上であることが確認できた。
試料Ｎｏ．３６〜試料Ｎｏ．４７
表２より、比較例である試料Ｎｏ．３６〜試料Ｎｏ．３９は（１１１）配向の柱状構造を備えていないため、薄膜化した際に結晶性が低下してしまい、Ｑ値が８５０以下と低い値となってしまう。比較例である試料Ｎｏ．４０及び試料Ｎｏ．４１は（１１１）配向の柱状構造を有しているが、半値幅が０．２°であったため、絶縁破壊電圧に寄与できず、絶縁破壊電圧が１２４０Ｖ／μｍ以下であった。また、比較例である試料Ｎｏ．４２及び試料Ｎｏ．４３は（１１１）配向の柱状構造を有しているが、半値幅が２．１°であり絶縁破壊電圧は良好であったが、結晶子サイズが小さくなり過ぎたため、Ｑ値が８５０以下となってしまった。また、比較例である試料Ｎｏ．４４〜試料Ｎｏ．４７は（１１１）配向の柱状構造を備えておらず、また半値幅が本発明の範囲外あるため、高いＱ値と高い絶縁破壊電圧を維持することが出来ないことが確認できた。
以上より、ＮａＣｌ型結晶構造を有するアルカリ土類金属酸化物を主成分とする誘電体膜において、誘電体膜が面直方向に（１１１）配向した柱状構造を有し、かつ、誘電体膜のＣｕ−ＫαＸ線回折チャートにおいて、（１１１）の回折ピークの半値幅が０．３°〜２．０°である場合、高い比誘電率と高いＱ値及び高い絶縁破壊電圧を維持することが出来ることが確認できた。
次に、本発明の特徴を有する誘電体膜が、種々の膜厚においても有効であることを確認した実施例について説明する。
＜実施例２＞
誘電体膜の厚みを変更した以外は、実施例１の試料Ｎｏ．２９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３に示す。
Figure 0006885110
試料Ｎｏ．４８〜試料Ｎｏ．５０
表３より誘電体膜の膜厚が異なっても、ＮａＣｌ型結晶構造を有するアルカリ土類金属酸化物を主成分とする誘電体膜であって、前記誘電体膜は面直方向に（１１１）配向した柱状構造を有し、前記誘電体膜のＣｕ−ＫαＸ線回折チャートにおいて、（１１１）の回折ピークの半値幅が０．３°〜２．０°である特徴を有する誘電体膜であれば、５０ｎｍまで薄膜化してもほぼ同様な特性を示すことが確認できた。つまり、本発明の特徴を有する誘電体膜であれば、薄膜化しても特性の低下がほとんど無く、高い比誘電率と高いＱ値及び高い絶縁破壊電圧を有することが確認できた。
以上に説明したように、本発明は、誘電体膜及び電子部品に係るものであり、本発明は高い比誘電率と高いＱ値、および高い絶縁破壊電圧を有する誘電体膜およびその誘電体膜を用いた電子部品を提供する。それにより、誘電体膜を使用する電子部品において、小型化、高機能化を図ることができる。本発明は、たとえば、誘電体膜を使用する、ダイプレクサやバンドパスフィルタなど薄膜高周波部品等に対して広く新技術を提供するものである。
１… 支持基板
２… 下地層
３… 下部電極
４… 上部電極
５… 誘電体膜
６… 結晶子
１０… 薄膜コンデンサ

Claims (4)

  1. ＮａＣｌ型結晶構造を有する
    アルカリ土類金属酸化物を主成分とする誘電体膜において、
    前記誘電体膜は面直方向に（１１１）配向した柱状構造を有し、
    前記誘電体膜のＣｕ−ＫαＸ線回折チャートにおいて、（１１１）の回折ピークの半値幅が０．５°〜２．０°であることを特徴とする誘電体膜。
  2. ＮａＣｌ型結晶構造を有する
    アルカリ土類金属酸化物を主成分とする誘電体膜において、
    前記誘電体膜は面直方向に（１１１）配向した柱状構造を有し、
    前記誘電体膜のＣｕ−ＫαＸ線回折チャートにおいて、（１１１）の回折ピークの半値幅が０．３°〜２．０°であり、
    前記誘電体膜は、副成分としてＴａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉのうち少なくとも一種類の元素を含むことを特徴とする誘電体膜。
  3. 前記副成分の総含有量をｘとすると、前記ｘが前記主成分に対して０ｍｏｌ％＜ｘ≦２０ｍｏｌ％の範囲であることを特徴とする請求項２に記載の誘電体膜。
  4. 請求項１〜請求項３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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