JPH04302117A - 薄膜コンデンサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜コンデンサに関す
るもので、特に絶縁破壊電圧が良好で、誘電損失が低い
薄膜コンデンサおよびその製造方法に関するものである
。

【０００２】

【従来の技術】従来より、二酸化チタンやチタン酸バリ
ウム等の誘電体は、その誘電特性により磁器コンデンサ
として利用されてきており、これらは容量を大きくする
ために一般に積層型にして用いられてきた。

【０００３】積層型コンデンサの製造方法においては、
固相反応や溶液反応で得られた中心粒径が０．５〜５μ
ｍ　の誘電体粉末をバインダーや溶剤と混合してスラリ
ーを製造し、そのスラリーをドクターブレード法等で薄
板状に成形し、得られた薄板を電極薄膜と交互に１０〜
数１０層に積層し、１２００〜１３００℃で焼成すると
いう工程をとっている。

【０００４】しかしながら、固相法や液相法により得た
誘電体粉末を用い、ドクターブレード法で誘電体層を形
成する場合には、誘電体粉末の粒径が大きいために誘電
体の膜厚を２０μｍ　以下にすることは困難であった。

【０００５】コンデンサの静電容量は下記の一般式で示
される。 Ｃ＝ε０　εｒ　（Ｓ／ｄ）ｎ （式中、Ｃは静電容量、Ｓは面積、ｄは電極間距離、ε
０　は真空誘電率、εｒ　は比誘電率、ｎは積層数を示
す。）

【０００６】したがって、積層型コンデンサの小型化、
高容量化のためには面積や厚みには限界があるため積層
数を増してやればよいわけであるが、固相法や液相法に
より得られた誘電体粉末を用いた膜厚の厚いドクターブ
レード法では、高容量化には自ずと限界があった。加え
て、ドクターブレード法は粉末を得るための焼成と、成
形した生シートの焼成とを必要とするため製造コストが
高くなるという欠点もあった。

【０００７】この解決策として、誘電体層を薄膜化する
方法がある。積層型コンデンサの場合には１層が約２０
〜４０μｍ　であるが、１μｍ　程度に薄膜化できれば
従来の積層型と同程度もしくはそれ以上の容量が得られ
、しかも小型化が可能となる。薄膜化の方法としてはス
パッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法等の気相法、ゾ
ル−ゲル法、有機金属化合物の塗布熱分解法等により誘
電体薄膜を製造する方法が知られている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このような薄膜を用い
る場合には、通常の電圧（５〜２０Ｖ）でも薄膜の故に
数１０〜数１００ＫＶ／ｃｍの高電界がかかり、電極金
属の誘電体中への拡散が生じる。また、誘電体の特性を
改善するためにしばしば高温で熱処理が行われるが、こ
のときも熱による電極金属の誘電体中への拡散が生じる
。 その結果、しばしば誘電体の誘電損失や絶縁破壊電圧等
の電気特性の劣化が引き起こされた。

【０００９】これに対し、拡散しにくい電極金属の選択
がこれまで検討されてきた。たとえば、金や白金は非反
応性のために拡散は起きにくいが、逆に誘電体層との接
着性が十分でなく、また、白金は誘電体層との間に空間
が生じたりして誘電損失の増大を引き起こすこともあっ
た。銀では誘電体層との間に反応層は作らないものの、
高電界下では電界による銀の移動が生じ、絶縁特性に問
題が生じた。

【００１０】さらに、このような誘電体薄膜は微少なク
ラックを生じやすく、上部電極形成時に、上部電極の金
属が誘電体薄膜のクラックの間に侵入して絶縁性を低下
させ、電極面積を増加させたときに不良率が著しく上昇
するという難点もあった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】かかる事情に鑑み、本発
明者らは誘電体薄膜について鋭意検討をおこなった結果
、下部電極と誘電体薄膜との間に中間層としてタンタル
層またはチタン層を設けることにより絶縁破壊電圧の向
上、誘電損失の向上を見出し、本発明を完成させるに至
ったものである。

【００１２】すなわち、本発明は、基板／下部電極／誘
電体薄膜／上部電極からなる薄膜コンデンサにおいて、
下部電極と誘電体薄膜との間に厚みが３〜５００ｎｍで
タンタルまたはチタンからなる中間層を設けることを特
徴とし、タンタルまたはチタンの表面に酸化被膜層を有
することを特徴とする薄膜コンデンサである。また、基
板／下部電極／誘電体薄膜／上部電極からなる薄膜コン
デンサにおいて、下部電極と誘電体薄膜との間に厚みが
３〜５００ｎｍでタンタルまたはチタンからなる中間層
を形成後、または該中間層の上に誘電体薄膜を形成後、
３００〜１０００℃の酸化性雰囲気で熱処理することを
特徴とする薄膜コンデンサの製造方法を提供するもので
ある。

【００１３】以下、本発明について詳細に述べる。本発
明は、基板／下部電極／誘電体薄膜／上部電極からなる
薄膜コンデンサにおいて、下部電極と誘電体薄膜との間
にタンタルまたはチタンからなる中間層を設けることを
特徴としている。

【００１４】基板の材料としては、その表面に誘電体薄
膜が形成できる程度の表面平滑性、および製造工程にお
ける熱処理温度に耐える耐熱性があればどのようなもの
でも用い得るが、たとえばチタン、アルミニウム、シリ
コン、ジルコニウム等の金属やチタン、アルミニウム、
スズ、ジルコニウム、シリコン、亜鉛、鉛、バリウム、
マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、リチウム
、カリウム、ニオビウム、タンタル、鉄、ニッケル、コ
バルト、マンガン、タングステン、ランタン、イットリ
ウム等より選ばれた１種または２種以上の酸化物または
窒化物の多結晶、単結晶またはガラス等があげられ、好
ましくはシリコン、アルミナ、ガラス等の商業生産され
ている基板があげられる。

【００１５】下部電極の材料としては、電気抵抗が小さ
く、製造工程における熱処理温度に耐える耐熱性があり
、接触する誘電体薄膜や基板等と反応しないものが好ま
しく、たとえば白金、金、銀、パラジウム等の貴金属ま
たはこれらの合金、銅、アルミニウム、ニッケル等の卑
金属またはこれらの合金、シリコン基板等があげられる
。

【００１６】下部電極の形成方法としては、一般的な薄
膜形成法として知られているスパッタリング法、ＣＶＤ
法、真空蒸着法、印刷法、スピンコート法等があげられ
る。特に下部電極として貴金属を用いる場合には、基板
と下部電極との接着を改良するために、ニッケル、チタ
ン、クロム等の卑金属薄膜を接着層として下部電極と基
板との間に形成することが好ましい。

【００１７】誘電体薄膜の材料としては、金属酸化物、
金属窒化物等があげられるが、金属酸化物が好ましい。 たとえばチタン、アルミニウム、スズ、ジルコニウム、
珪素、亜鉛、マグネシウム、タングステン、イットリウ
ム等の酸化物や窒化物を用いることができる。また、チ
タン、アルミニウム、スズ、ジルコニウム、珪素、亜鉛
、鉛、バリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロン
チウム、リチウム、カリウム、ニオビウム、タンタル、
鉄、ニッケル、コバルト、マンガン、タングステン、ラ
ンタン、イットリウム等より選ばれた２種以上の酸化物
、窒化物を用いることができる。

【００１８】特に２酸化チタンまたはその誘導体として
のチタン酸バリウム、チタン酸マグネシウム、チタン酸
カルシウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸鉛等の
チタン酸塩、２酸化ジルコニウムまたはその誘導体とし
てのジルコン酸バリウム、ジルコン酸マグネシウム、ジ
ルコン酸カルシウム、ジルコン酸ストロンチウム、ジル
コン酸鉛等のジルコン酸塩、２酸化スズおよびその誘導
体としてのスズ酸バリウム、スズ酸マグネシウム、スズ
酸カルシウム、スズ酸ストロンチウム、スズ酸鉛等のス
ズ酸塩、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸マグネシウム鉛等
のニオブ酸塩、タングステン酸リチウム、タングステン
酸鉄鉛等のタングステン酸塩、タンタル酸リチウム、タ
ンタル酸亜鉛バリウム等のタンタル酸塩またはこれらの
固溶体が好ましい。

【００１９】誘電体薄膜の形成方法としては、通常の薄
膜形成法として知られるスパッタリング法、ＣＶＤ法、
真空蒸着法、ゾル−ゲル法等を用いることができる。

【００２０】上部電極の材料としては、電気抵抗が小さ
く、接触する誘電体薄膜と反応しないものが好ましく、
たとえば白金、金、銀、パラジウム等の貴金属またはこ
れらの合金、銅、アルミニウム、ニッケル等の卑金属ま
たはこれらの合金、ＩＴＯ（Ｉｎ２　Ｏ３　・ＳｎＯ２
　）等の導電性酸化物があげられる。

【００２１】上部電極の形成方法としては、一般的な薄
膜形成法として知られるスパッタリング法、ＣＶＤ法、
真空蒸着法、印刷法、スピンコート法等があげられる。

【００２２】本発明の特徴である中間層は下部電極と誘
電体薄膜との間に形成され、中間層としてはタンタル層
またはチタン層が好ましく、その形成方法はスパッタリ
ング法、ＣＶＤ法、蒸着法、印刷法、スピンコート法等
があげられるが、実用上は成膜速度や下部電極を形成す
る製造工程との連続性等からスパッタリング法が好まし
い。

【００２３】タンタル層またはチタン層の厚みは、誘電
体薄膜の厚みにもよるが３〜５００ｎｍで、好ましくは
５〜１００ｎｍである。３ｎｍよりも薄いと絶縁破壊電
圧が低下し、誘電損失も大きくなってタンタル層やチタ
ン層の挿入効果がなく、５００ｎｍよりも厚くすると抵
抗が増大して誘電損失が悪化する。

【００２４】また、誘電体薄膜とタンタル層またはチタ
ン層との接着力を増大させ、かつ、タンタルやチタンの
均一な酸化被膜層による絶縁性の向上を図るためには、
誘電体薄膜とタンタル層またはチタン層との接触部分を
酸化物に変えることも効果が大きい。中間層としてタン
タル層またはチタン層を形成後に３００〜１０００℃の
酸化性雰囲気で１０分〜５時間の熱処理をしてもよいし
、また、中間層の上に誘電体薄膜を形成してから３００
〜１０００℃の酸化性雰囲気で１０分〜５時間の熱処理
をしても効果がある。酸化性雰囲気として、空気中で熱
処理をおこなうことが一般的である。この際、高温度で
長時間の熱処理を行うとタンタルやチタンの酸化被膜層
の厚みが厚くなりすぎて誘電体の本来の特性が出ず、む
しろ酸化タンタルや酸化チタンの特性を示すようになっ
てしまうので適当な熱処理条件を選ぶ必要がある。この
ように、タンタルやチタンの酸化被膜層の形成により、
誘電体薄膜の誘電率がそれらの酸化物の誘電率よりも大
きいときは酸化タンタルや酸化チタンが相対的に大きな
電圧を受け持ち、全体としての絶縁性の向上、誘電特性
の向上がみられる。

【００２５】

【発明の効果】本発明は、薄膜コンデンサの下部電極と
誘電体薄膜との間にタンタル層またはチタン層を設ける
ことにより、下部電極と誘電体薄膜との間の接着性の改
善と電極金属の誘電体薄膜中への拡散の防止を図ったも
のであり、その効果として絶縁破壊電圧の向上、誘電損
失の向上が得られた。これにより従来信頼性および誘電
損失に難点があるために応用が進まなかった薄膜コンデ
ンサに実用化の道を開くもので、その工業的価値は大き
い。

【００２６】

【実施例】以下、本発明を実施例により更に詳細に説明
するが、本発明の範囲は下記実施例により、何ら限定さ
れるものではない。誘電特性の測定にはインピーダンス
アナライザ（ＹＨＰ４２７５Ａ：横河ヒューレットパッ
カード社製）を用い、実施例中には１０ＫＨｚ、１Ｖｒ
ｍｓ，室温でのデータを示した。また、直流電圧を印加
して絶縁破壊電圧を超絶縁抵抗計（ＹＨＰ４３２９Ａ：
横河ヒューレットパッカード社製）にて測定した。

【００２７】実施例１ 平滑アルミナ基板（日本ＭＲＣ社製：Ｈｉ−Ｒｅｌ）上
にマグネトロンスパッタリングによりＣｒ（５０ｎｍ）
／Ｐｔ（２００ｎｍ）／Ｔａの層を形成した。Ｔａ層の
厚みを５ｎｍとして、３００℃で１時間酸素中で熱処理
後、この上にＴｉＯ２　の薄膜１０００ｎｍを同じくマ
グネトロンスパッタリングにて形成後、結晶性向上のた
めに８５０℃、１０分間酸素中で熱処理をした。さらに
、スパッタリングにより厚みが１００ｎｍのＡｕを上部
電極として形成し、得られた薄膜コンデンサの誘電率、
誘電損失、絶縁破壊電圧を測定した。結果を表１に示す
。

【００２８】実施例２ Ｔａ層の厚みを３０ｎｍとした以外は実施例１と同様に
して得られた薄膜コンデンサの誘電率、誘電損失、絶縁
破壊電圧を測定した。結果を表１に示す。

【００２９】実施例３ Ｔａ層の厚みを１００ｎｍとした以外は実施例１と同様
にして得られた薄膜コンデンサの誘電率、誘電損失、絶
縁破壊電圧を測定した。結果を表１に示す。

【００３０】実施例４ Ｔａ層の厚みを３００ｎｍとした以外は実施例１と同様
にして得られた薄膜コンデンサの誘電率、誘電損失、絶
縁破壊電圧を測定した。結果を表１に示す。

【００３１】実施例５ Ｔａ層の厚みを５００ｎｍとした以外は実施例１と同様
にして得られた薄膜コンデンサの誘電率、誘電損失、絶
縁破壊電圧を測定した。結果を表１に示す。

【００３２】実施例６ 石英基板上にマグネトロンスパッタリングによりＣｒ（
５０ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ）／Ｔａの層を形成した
。 Ｔａ層の厚みを５０ｎｍとした。次に、バリウムイソプ
ロポキシド０．２モルとチタニウムイソプロポキシド０
．９モルとを調合し、イソプロパノール／トルエンの１
：１（重量比）混合溶媒中に溶解した塗布液を合成した
。 この液を前述の基板上に２０００ｒｐｍ　の条件でスピ
ンナーにより塗布後、４５０℃で３０分間酸素中で熱処
理を行い、上記の塗布と熱処理を４回繰り返し、最後に
８００℃で３０分間酸素中で熱処理を行い膜厚が１００
０ｎｍの緻密な誘電体薄膜を得た。この上にスパッタリ
ングによりＡｕを上部電極として形成し、得られた薄膜
コンデンサの誘電率、誘電損失、絶縁破壊電圧を測定し
た。結果を表１に示す。

【００３３】実施例７ シリコン基板を熱酸化してその表面に厚さ約２０ｎｍの
ＳｉＯ２　膜を形成した上に蒸着によりＣｒ（２０ｎｍ
）／Ｐｄ−Ａｇ（５０−５０）（３００ｎｍ）／Ｔａの
層を形成した。Ｔａ層の厚みを５０ｎｍとした。この上
に電子ビーム蒸着で５００ｎｍの厚みのＴｉＯ２　薄膜
を形成後、７００℃で５時間酸素中で熱処理を行った。 この上にスパッタリングにより金を上部電極として形成
し、得られた薄膜コンデンサの誘電率、誘電損失、絶縁
破壊電圧を測定した。結果を表１に示す。

【００３４】実施例８ 実施例１において、Ｔａ層のかわりにＴｉ層とした以外
は実施例１と同様にして得られた薄膜コンデンサの誘電
率、誘電損失、絶縁破壊電圧を測定した。結果を表１に
示す。

【００３５】実施例９ 実施例２において、Ｔａ層のかわりにＴｉ層とした以外
は実施例２と同様にして得られた薄膜コンデンサの誘電
率、誘電損失、絶縁破壊電圧を測定した。結果を表１に
示す。

【００３６】実施例１０ 実施例３において、Ｔａ層のかわりにＴｉ層とした以外
は実施例３と同様にして得られた薄膜コンデンサの誘電
率、誘電損失、絶縁破壊電圧を測定した。結果を表１に
示す。

【００３７】実施例１１ 実施例４において、Ｔａ層のかわりにＴｉ層とした以外
は実施例４と同様にして得られた薄膜コンデンサの誘電
率、誘電損失、絶縁破壊電圧を測定した。結果を表１に
示す。

【００３８】実施例１２ 実施例５において、Ｔａ層のかわりにＴｉ層とした以外
は実施例５と同様にして得られた薄膜コンデンサの誘電
率、誘電損失、絶縁破壊電圧を測定した。結果を表１に
示す。

【００３９】実施例１３ 実施例６において、Ｔａ層のかわりにＴｉ層とした以外
は実施例６と同様にして得られた薄膜コンデンサの誘電
率、誘電損失、絶縁破壊電圧を測定した。結果を表１に
示す。

【００４０】実施例１４ 実施例７において、Ｔａ層のかわりにＴｉ層とし、Ｔｉ
Ｏ２　薄膜のかわりにＢａＴｉＯ３　とした以外は実施
例７と同様にして得られた薄膜コンデンサの誘電率、誘
電損失、絶縁破壊電圧を測定した。結果を表１に示す。

【００４１】比較例１ 実施例１において、Ｔａ層を形成させずに得られた薄膜
コンデンサの誘電率、誘電損失、絶縁破壊電圧を測定し
た。結果を表１に示す。

【００４２】比較例２ Ｔａ層の厚みを２ｎｍとした以外は実施例１と同様にし
て得られた薄膜コンデンサの誘電率、誘電損失、絶縁破
壊電圧を測定した。結果を表１に示す。

【００４３】比較例３ 実施例６において、Ｔａ層を形成させずに得られた薄膜
コンデンサの誘電率、誘電損失、絶縁破壊電圧を測定し
た。結果を表１に示す。

【００４４】比較例４ 実施例７において、Ｔａ層を形成させずに得られた薄膜
コンデンサの誘電率、誘電損失、絶縁破壊電圧を測定し
た。結果を表１に示す。

【００４５】比較例５ 比較例２において、Ｔａ層のかわりにＴｉ層とした以外
は比較例２と同様にして得られた薄膜コンデンサの誘電
率、誘電損失、絶縁破壊電圧を測定した。結果を表１に
示す。

【００４６】比較例６ 実施例１４において、Ｔｉ層を形成させずに得られた薄
膜コンデンサの誘電率、誘電損失、絶縁破壊電圧を測定
した。結果を表１に示す。

【００４７】

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板／下部電極／誘電体薄膜／上部電極か
   らなる薄膜コンデンサにおいて、下部電極と誘電体薄膜
   との間に厚みが３〜５００ｎｍでタンタルまたはチタン
   からなる中間層を設けることを特徴とする薄膜コンデン
   サ。
2. 【請求項２】タンタルまたはチタンの表面に酸化被膜層
   を有することを特徴とする請求項１記載の薄膜コンデン
   サ。
3. 【請求項３】基板／下部電極／誘電体薄膜／上部電極か
   らなる薄膜コンデンサにおいて、下部電極と誘電体薄膜
   との間に厚みが３〜５００ｎｍでタンタルまたはチタン
   からなる中間層を形成後、または該中間層の上に誘電体
   薄膜を形成後、３００〜１０００℃の酸化性雰囲気で熱
   処理することを特徴とする薄膜コンデンサの製造方法。