JP6907602B2 - 誘電体薄膜及び電子部品 - Google Patents
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Description
MgOを主成分とする誘電体薄膜であって、
前記誘電体薄膜が、単結晶から構成される柱状構造Aと、
多結晶から構成される柱状構造Bと、
をそれぞれ少なくとも1つ以上含む柱状構造群からなり、
前記誘電体薄膜の垂直方向の断面における前記柱状構造Aが占める面積をCA、前記柱状構造Bが占める面積CBとした場合、前記CAとCBとの関係が
0.4≦CB/CA≦1.1
であることを特徴とする。
図1は、本発明の一実施形態に係る誘電体薄膜素子の一例としての、薄膜コンデンサ10の断面図である。薄膜コンデンサ10は、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薄膜5とを備えている。基板1と下部電極3の間に、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。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に示す基板1を形成するための材料は特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1として使用されることが一般的である。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、基板1の表面に絶縁処理を施し、使用時の電流が基板1へ流れないようにする場合もある。例えば、Si単結晶を基板1として使用する場合においては、基板1表面を酸化させてSiO2絶縁層の形成を行うことや、基板1表面にAl2O3、SiO2、Si3Nxなどの絶縁層を形成してもよく、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、絶縁層の膜厚として好ましくない。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、絶縁処理を施した基板1表面に、下地層2を有している。下地層2は、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、コストや誘電体薄膜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。誘電体薄膜5は大気中の他、不活性ガスであるN2やAr、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、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。
誘電体薄膜5は、MgOを主成分とする誘電体薄膜であって、前記誘電体薄膜が、単結晶から構成される柱状構造Aと、多結晶から構成される柱状構造Bと、をそれぞれ少なくとも1つ以上含む柱状構造群からなり、前記誘電体薄膜の垂直方向の断面における前記柱状構造Aが占める面積をCA、前記柱状構造Bが占める面積をCBとした場合、前記CAとCBとの関係が0.4≦CB/CA≦1.1であることを特徴とする。
本発明の柱状構造とは、図2(b)に示すように、誘電体薄膜の垂直方向の断面をTEM明野像を用いて観察した場合、下部電極3と上部電極4に接している厚み方向に長い単一の結晶子、いわゆる単結晶から構成された柱状構造と、多結晶から構成された柱状構造と、を意味している。また、本発明の柱状構造は、誘電体薄膜全体に基板表面の法線方向または±5°に沿って延び、図2(b)中に記載されているhとlとの比、つまり、アスペクト比が17<(h/l)<40を満足する構造となっている。
本実施形態の一例において、薄膜コンデンサ10は、誘電体薄膜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未満の場合、導電性が悪化するため上部電極4として好ましくない。
誘電損失は、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の条件下で測定した。ここでは、誘電損失(tanδ)の逆数で表されるQ値で評価を行った。前記Q値は、高い方が好ましく、700以上を良好とした。(Q値が高いほど、誘電損失はより低いことを意味している。)
薄膜コンデンサ試料について、熱衝撃試験を実施した。熱衝撃試験とは、薄膜コンデンサ試料に、高温と低温の温度差を繰り返し与えることにより、温度変化に対する耐性を評価する試験である。具体的には、薄膜コンデンサ試料を、1サイクル30分かけて、−55℃⇔+125℃の環境変化にさらすことで、温度の急変に対する耐久性を評価した。判定基準は、初期静電容量に対する変化率が±3%以内であること、初期絶縁抵抗値に対して2桁低下しないこと、外観に異常がないことを評価した。耐熱衝撃性は、熱サイクル数で判断した。本発明は、1000サイクル以上を良好とした。
誘電体薄膜に対し、膜厚の計測は、FIB(集束イオンビーム)加工装置で膜厚方向に掘削し、得られた断面をTEM(透過型電子顕微鏡)で観察して測長した。微細構造の分析はTEMで行い、柱状構造Aと柱状構造Bの柱の境界が10本以上ある視野で行った。
が0.4≦CB/CA≦1.1の範囲にある実施例1〜実施例9の薄膜コンデンサ試料は、いずれもQ値が700以上の高いQ値を有しつつ、1000サイクル以上の高い耐熱衝撃性が得られることが確認できた。
表1に示すように、成膜条件、熱処理条件により、柱状構造Aと柱状構造Bの面積比CB/CAが制御され、面積比CB/CAが低いほど、つまり単結晶をもつ柱状構造Aが多いほど、高いQ値を示すことが確認できる。また、熱サイクル数は、面積比CB/CAが低いほど、低いサイクル数となっている。これより、柱状構造Bの占める面積が高いほど、高い耐熱衝撃性を示すことが確認できた。
表1に示すように、柱状構造Aと柱状構造Bの面積比CB/CAにおいて、CB/CAが1.1と、柱状構造Bが柱状構造Aより多く存在する範囲においても、高いQ値を維持することが確認された。
表2に示すように、柱状構造B+有し、この前記柱状構造B+が、断面TEM像における柱状構造B全体の50%以上であるため、熱サイクル数は1500サイクル以上と、より優れた耐熱衝撃性を得た。これは、前記柱状構造B+を、断面TEM像における柱状構造B全体の50%以上もつことで、熱衝撃等における柱状構造Aの広がりを抑制する障壁が増えるため、よりクラックの発生を抑えることができ、耐熱衝撃性が向上したと考えられる。また、柱状構造B+の割合が多くなるほど、柱状構造Bの柱内における粒界三重点の数も多くなり、より優れた耐熱衝撃性が得られることが確認できた。
表3より、主成分であるMgOに、副成分としてBaOとTa2O5とを含んでいる誘電体薄膜においても、本発明の特徴である柱状構造Aと柱状構造Bとを含む柱状構造群が観察され、前記柱状構造Aと前記柱状構造Bとの面積比が0.4≦CB/CA≦1.1の範囲にある場合、いずれも700以上の高いQ値を示し、1000サイクル以上の高い耐熱衝撃性が得られることが確認できた。このように、MgOを主成分としてその他の副成分を含んでいても、同様な効果を得ることが確認できた。
2… 下地層
3… 下部電極
4… 上部電極
5… 誘電体薄膜
10… 薄膜コンデンサ
A… 柱状構造A
B… 柱状構造B
Claims (3)
- MgOを主成分とする誘電体薄膜であって、
前記誘電体薄膜が、
視野内の膜断面のTEM暗視野像を二値化処理した画像において、
ひとつの柱状構造の80%以上が白い明部であるものを柱状構造A1、
全てが黒い暗部であるもののうち、同視野で観察したTEM明視野像で、同箇所の柱状構造内部に粒界が無いと判断したものを柱状構造A2とし、
前記柱状構造A1と柱状構造A2とを合わせて柱状構造Aとし、
ひとつの柱状構造において白い明部が1%以上80%未満であるものを柱状構造Bとしたときに、
前記柱状構造Aと柱状構造Bとを、それぞれ少なくとも1つ以上含む柱状構造群からなり、
前記誘電体薄膜の垂直方向の断面における前記柱状構造Aが占める面積をCA、前記柱状構造Bが占める面積をCBとした場合、前記CAとCBとの関係が
0.4≦CB/CA ≦1.1
であることを特徴とする誘電体薄膜。 - 前記柱状構造Bは、少なくとも2つ以上存在し、且つ、1つ以上の粒界三重点を有する柱状構造B+を少なくとも1つ以上備える柱状構造であって、前記柱状構造B+が柱状構造Bの占める面積CBの50%以上であることを特徴とする請求項1に記載の誘電体薄膜。
- 請求項1または2に記載の誘電体薄膜を有する電子部品。
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