JPH0118563B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は複合誘電体に関するものである。 近年、誘電体膜に電場をかけ、その膜の有して
いる高誘電率、圧電性、強誘電性等を積極的に利
用する電子装置が増大している。誘電体膜にかか
る電界強度は10⁵V／cm以上の高電場となる事が
多く、その場合、誘電体膜の耐圧が十分高い必要
がある。誘電体膜は蒸着、スパツタリング、
CVD等の方法で作製されるが、膜の中にはピン
ホールや、ホコリ等の種々の欠陥が生成される。
これらの欠陥において、欠陥のない場所より低い
電界強度で絶縁破壊を起こしやすい。膜における
絶縁破壊は大きくわけて２種類ある。１つは自己
回復形絶縁破壊と呼ばれるもので、第１図に示す
様に絶縁破壊した箇所１６の周囲の上部電極１５
が放電エネルギーにより数十μｍの範囲で飛散
し、上部電極１５と下部電極１２がオープンにな
るタイプである。ここで１１は基板、１３は誘電
体膜を示す。もう１つは自己回復形絶縁破壊しな
いタイプで、第２図の様に上部電極２５が十分に
飛散しないで、絶縁破壊した穴２６を通じて上部
電極２５と下部電極２２がシヨートになる。この
状態でさらに電圧を印加していけば絶縁破壊は誘
電体膜全体に広がる事もあり、このタイプの絶縁
破壊がおきれば、それ以上電子部品を使用できな
くなるわけで、致命的である。 上部電極を薄くして行くと、この絶縁破壊は起
こりにくくなるが、余り薄くすると抵抗が高くな
り電極として好ましくないので、数十ｎｍ程度が
最低限度の厚みである。電極材料としてはAu、
Zn、Al等が最も自己回復形絶縁破壊になりやす
い。しかしながら数十ｎｍの厚さのAu、Zn、Al
等の電極を用いても自己回復形絶縁破壊しない誘
電体膜があり、この絶縁破壊は材料のもつ固有の
性質に起因している。その原因は明らかでない
が、絶縁破壊時に発生する上部電極を飛散させる
働きのあるアーク放電の様子が、自己回復形絶縁
破壊する膜と、そうでない膜の間で大きな差があ
るものと考えられる。その様な誘電体膜の中に
は、非常にすぐれた種々の特性を持つた材料が多
いが、従来は自己回復形絶縁破壊しないために電
子装置に用いにくいものであつた。 本発明は以上の点に鑑みてなされたものであつ
て、自己回復形絶縁破壊しない誘電体膜上に、自
己回復形絶縁破壊する誘電体膜を形成し、その上
に上部電極を形成する事により、膜中の欠陥部に
おいて生じる絶縁破壊を自己回復形にして、自己
回復形絶縁破壊しない膜の種々のすぐれた特性を
電子装置に利用できる様にしたものである。 以下、本発明の詳細について実施例とともに説
明する。第３図は本発明の複合誘電体の一実施例
の構成を示す図である。３１は基板で、その上に
下部電極３２が形成されている。３３は自己回復
形絶縁破壊を起こさない誘電体膜である。通常、
下部電極３２と自己回復形絶縁破壊しない誘電体
膜３３の間には種々の機能を有する膜が形成され
ている。自己回復形絶縁破壊する誘電体膜３４は
自己回復形絶縁破壊しない誘電体膜３３の上に形
成し、その上に上部電極３５を形成する。この様
な構成をすれば、膜中の欠陥により駆動電圧以下
で生じた絶縁破壊によつて誘電体膜中に穴３６が
あくが、上部電極３５は穴３６の周辺では飛散し
てなくなり、上部電極３５と下部電極３２はオー
プンの状態となり、絶縁破壊は自己回復形とする
事ができる。自己回復形絶縁破壊しない誘電体膜
としては、ペロブスカイト構造をとるチタン酸塩
が代表的なもので、この材料は誘電率が大きく、
強誘電性を持つものもあり非常にすぐれた誘電体
である。ペロブスカイト型チタン酸塩の中でも、
チタン酸ストロンチウム膜は、とりわけ自己回復
形絶縁破壊にならない膜であるが、スパツタリン
グにより基板温度300〜500℃で比誘電率100〜
200、ピンホール等の欠陥のない部分での絶縁耐
圧は1.5×10⁶V／cm以上の特性が容易に得られる
ので有用な材料である。チタン酸バリウム膜も自
己回復形絶縁破壊になりにくい材料であるが、結
晶性のよい膜は強誘電性を示すので、非常に応用
範囲の広い材料である。 自己回復形絶縁破壊しない膜の誘電率が大きけ
れば、薄膜コンデンサ材料等の大きな誘電率を要
求される電子部品に好ましい材料である。本発明
に用いる自己回復形絶縁破壊しない膜は、通常用
いられている安定な誘電体材料の中で一番誘電率
の大きなTa₂O₅比誘電率の約25より大きな30以上
の比誘電率を持つ事が好ましい。 自己回復形絶縁破壊する誘電体膜としては、絶
縁耐圧の高い材料が好ましく、その中でも比較的
容易に膜形成ができるSiO、SiO₂、Al₂O₃、
Si₃N₄、BN、Ta₂O₅、Nb₂O₅、ZrO₂、HfO₂、
Y₂O₃、希土類元素酸化物がすぐれている。又、
タングステンブロンズ型複合酸化物膜は、絶縁耐
圧が高く、比誘電率が40以上と大きく自己回復形
絶縁破壊する。 この膜を自己回復形絶縁破壊しない膜とくみ合
わせて使用すれば、交流動作の場合高誘電率なの
でこの膜に分圧される電圧が比較的低く、自己回
復形絶縁破壊しない膜に有効に電圧を印加でき
る。その結果、後者の膜が持つすぐれた特性を有
効に利用できる。タンダステンブロンズ型複合酸
化物の中でも、ニオブ酸鉛とタンタル酸鉛はスパ
ツタリングにより基板温度400℃程度で比誘電率
がそれぞれ70と48、絶縁耐圧がそれぞれ2.2×
10⁶V／cm、2.6×10⁶V／cmとすぐれた特性を有す
る膜ができるので自己回復形絶縁破壊する膜とし
て有用である。 又、パイロクロア型複合酸化物ならびにビスマ
ス層状構造複合酸化物は、バルクの誘電率が50以
上と大きく、バルクに近い誘電特性を有した膜が
容易に作製でき、自己回復型絶縁破壊するので本
発明において有用な材料である。 本発明の電子部品の具体的応用例としては薄膜
コンデンサと薄膜エレクトロルミネツセンス装置
がある。薄膜コンデンサとして要求される第１の
特性は単位面積当りの容量が大きいという事であ
る。このためには誘電体膜の誘電率が大きく、膜
厚は薄くなければならない。誘電体膜には高い電
界強度がかかるため、ピンホールやホコリが膜中
に存在すると絶縁破壊を生じる。この絶縁破壊が
自己回復形なら微小な容量変化が起こるだけであ
るが、自己回復形でないとシヨート状態となり薄
膜コンデンサとして機能しなくなる。 単層では自己回復形絶縁破壊しないが誘電特性
のすぐれた膜の上に自己回復形絶縁破壊する誘電
体膜をつける事により誘電特性がすぐれ、かつ自
己回復形絶縁破壊する薄膜コンデンサを構成でき
る。薄膜エレクトロルミネツセンス装置は発光層
と誘電体層を積層し、それを電極ではさんで交流
駆動し発光させるのが主なものである。発光層に
は厚み600nｍ程度のZnS：Mnを用いた場合、1/1
００〜1/500程度のデユーテイードライブをしても
実用的な輝度が得られる。通常印加された電圧の
50％ほどは発光に寄与しない誘電体層に分圧され
るので、この割合をへらすため高誘電率の誘電体
膜をもちいる試みが多くなされている。誘電率が
大きくても自己回復形絶縁破壊しない誘電体膜の
上に、自己回復形絶縁破壊する誘電体膜を形成し
た複合誘電体膜を用いる事により、印加した電圧
の大部分が発光層に分圧され、かつ欠陥部におけ
る絶縁破壊が自己回復形となり信頼性にすぐれた
薄膜エレクトロルミネツセンス装置が構成でき
る。 次に本発明の実施例を示す。 実施例 １ ガラス基板上にAuの薄膜をDCスパツタリング
により厚さ50nｍ付着させ、これを下部電極とし
た。この上にSrTiO₃膜をマグネトロンRFスパツ
タリングにより厚さ1.2μｍ付着させた。 ターゲツトとしてSrTiO₃の焼結体を用いた。
スパツタリングガスはO₂とArの１：４の混合ガ
スを用い、ガス圧は８×10^-1Paである。基板温
度は420℃である。こうして得られた素子を５分
割素子〜とした。素子にはさらにAl₂O₃膜
を電子ビーム蒸着により厚さ0.1μｍ付着させた。
素子にはタングステンブロンズ構造を有する
PbTa₂O₆膜をマグネトロンRFスパツタリングに
より厚さ0.3μｍ付着させた。ターゲツトとしては
PbTa₂O₆の焼結体を用いた。スパツタリングガ
スはO₂とArの１：１の混合ガスを用い、ガス圧
は3Paである。基板温度は380℃である。素子３
にはビスマス層状構造を有するBi₄Ti₃O₁₂膜をマ
グネトロンRFスパツタリングにより厚さ0.3μｍ
付着させた。ターゲツトとしてはBi₄Ti₃O₁₂の焼
結体を用いた。スパツタリングガスはO₂とArの
１：４の混合ガスを用い、ガス圧は６×10^-1Pa
である。基板温度は280℃にした。素子にはパ
イロクロア構造を有するPb₂Nb₂O₇膜をマグネト
ロンRFスパツタリングにより厚さ0.3μｍ付着さ
せた。ターゲツトとしてはPb₂Nb₂O₇の焼結体を
用いた。スパツタリングガスはO₂とArの２：３
の混合ガスを用い、ガス圧は2Paである。基板温
度は400℃にした。素子には第２の誘電体層を
形成せずに比較用とした。ついで素子〜の上
にAl膜を抵抗熱蒸着により、厚さ80nｍ付着させ
これを上部電極とした。この様にして形成された
薄膜コンデンサの特性を次表に示す。

【表】 以上の４素子は、耐圧以下の電圧で欠陥部にお
いて５ケ／cm²程度の回数絶縁破壊したがいずれも
自己回復形であつて欠陥部が絶縁破壊によりクリ
アされた後は上記の様なすぐれた諸特性を示し
た。又素子は誘電体膜としてSrTiO₃膜単独で
あるので、欠陥部における絶縁破壊が自己回復形
とならずシヨート状態になつたため誘電特性の測
定が正確にはできなかつた。 実施例 ２ 第４図に示す様にITO透明電極４２の付与され
たガラス基板上４１に、Y₂O₃膜４３を電子ビー
ム蒸着により厚さ40mm付着させた。この上にZnS
とMnを抵抗加熱により同時蒸着しZnS：Mnの螢
光体層４４を厚さ1.0μｍ形成した。熱処理を真空
中580℃で１時間行なつた後、ZnS：Mn膜の保護
用にTa₂O₅膜４５を電子ビーム蒸着により厚さ
40nｍ付着させた。その上にSrTiO₃膜４６をマグ
ネトロンRFスパツタリングにより厚さ1.4μｍ付
着させた。スパツタリングガスはO₂とArの混合
ガスを用い、ガス圧は８×10^-1Paである。又、
基板温度は420℃である。さらにこの上に
PbNb₂O₆膜４７をマグネトロンRFスパツタリン
グにより厚さ0.4μｍ付着させた。スパツタリング
ガスはO₂とArの１：１の混合ガスを用い、ガス
圧は6Paである。ターゲツトとしてはPbNb₂O₆の
焼結体を用いた。基板温度は380℃である。上部
電極としてAl膜４８を抵抗加熱蒸着により厚さ
70nｍ付着させた。こうして得られた薄膜エレク
トロルミネツセンス素子は、電圧を印加していく
と発光する迄に欠陥部において飛散したAlの直
径30μｍ程度の小さな絶縁破壊を起こしたが、い
ずれも自己回復形であり、その数は0.5ケ／cm²で
あつた。5KHzの交流パルスにより駆動したとこ
ろゼロ−ピーク約230Vでほぼ輝度が飽和し約
7000cd／m²であつた。 実施例 ３ 白金板上にBaTiO₃膜をマグネトロンRFスパ
ツタリングにより厚さ2.1μｍ付着させた。ターゲ
ツトとしてBaTiO₃の焼結体を用いた。スパツタ
リングガスはO₂とArの２：３の混合ガスを用い、
ガス圧は3Paである。基板温度は800℃にした。
この上にSi₃N₄膜をマグネトロンRFスパツタリ
ングにより厚さ0.1μｍ付着させた。ターゲツトと
してはSi₃N₄焼結体を用いた。スパツタリングガ
スはArを用い、ガス圧は3Paである。基板加熱は
行なわなかつた。上部電極としてAuを抵抗加熱
により厚さ80nｍ付着させた。こうして得られた
素子の誘電率の温度特性を測定したところ約140
℃でピークを示した。又、Ｄ−Ｅヒステリシスに
よつても強誘電性を確認できた。なお、この素子
は低い電界強度において欠陥部に絶縁破壊が生じ
たが、いずれも自己回復形であり、その後の特性
測定に支障はなかつた。この強誘電性薄膜素子は
圧電デバイス、電気光学デバイス等の広い応用に
適するものである。 以上説明した様に本発明の電子装置は、種々の
すぐれた物性を有するが、自己回復形絶縁破壊し
ない誘電体膜上に、自己回復形絶縁破壊する誘電
体膜を積層する事により、欠陥部に生じる絶縁破
壊を自己回復形とし、単独では自己回復形絶縁破
壊しない誘電体膜のもつすぐれた物性を十分に利
用できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は誘電体における自己回復形絶縁破壊を
示す模式図、第２図は誘電体における自己回復形
でない絶縁破壊を示す模式図、第３図は本発明の
一実施例の複合誘電体の自己回復形絶縁破壊を示
す模式図、第４図は本発明の一応用例である薄膜
エレクトロルミネツセンスデイバイスの構造を示
す図である。 ３１……基板、３２……下部電極、３４……自
己回復形絶縁破壊する誘電体膜、３３……自己回
復形絶縁破壊しない誘電体膜、３５……上部電
極、３６……絶縁破壊の穴。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板上に形成した電極層上に自己回復形絶縁
   破壊しない誘電体膜、自己回復形絶縁破壊する誘
   電体膜および前記電極に対向する電極を順次形成
   したことを特徴とする複合誘電体。 ２ 自己回復形絶縁破壊しない誘電体膜が、ペロ
   ブスカイト型チタン酸塩膜であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の複合誘電体。 ３ ペロブスカイト型チタン酸塩膜がチタン酸ス
   トロンチウムあるいはチタン酸バリウムの少なく
   とも１つを主成分とする膜である特許請求の範囲
   第２項に記載の複合誘電体。 ４ 自己回復形絶縁破壊する誘電体膜が、タング
   ステンブロンズ型複合酸化物膜であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の複合誘電
   体。 ５ タングステンブロンズ型複合酸化物膜がニオ
   ブ酸塩あるいはタンタル酸塩の少なくとも一方を
   主成分とする膜である特許請求の範囲第４項に記
   載の複合誘電体。 ６ 自己回復形絶縁破壊する誘電体膜がパイロク
   ロア型複合酸化物膜もしくはビスマス層状構造型
   複合酸化物である特許請求の範囲第１項に記載の
   複合誘電体。