JPH04309209A - 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
。 さらに、熱処理時に下部電極と誘電体薄膜との熱膨張率
の違いや誘電体薄膜の焼結収縮による亀裂、歪み、剥離
等が発生して不都合である。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、さらに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】

【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
、基板と下部電極との間にタンタル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。

【００１１】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、
基板と下部電極との間に厚みが５〜５００ｎｍのタンタ
ル層を設け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
薄膜コンデンサの製造において、基板上に厚みが５〜５
００ｎｍのタンタル層を形成して、その上に下部電極を
形成後、またはさらに誘電体薄膜を形成後に３００〜１
０００℃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。

【００１２】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、基板と下部電極との間にタン
タル層を設けることを特徴としている。

【００１３】タンタル層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。

【００１４】タンタル層の厚みは、誘電体薄膜の厚みに
もよるが５〜５００ｎｍで、好ましくは１０〜４００ｎ
ｍ、さらにより好ましくは３０〜３００ｎｍである。５
ｎｍ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。

【００１５】また、基板と下部電極との接着力を増大さ
せ、かつ、均一な酸化物皮膜による絶縁性の向上を図る
ためには３００〜１０００℃の酸化性雰囲気で１０分〜
５時間の熱処理をすると効果が大きいので好ましい。熱
処理は基板と下部電極との間にタンタル層を形成して、
その上に下部電極を形成後におこなってもよいし、さら
に下部電極の上に誘電体薄膜を形成後におこなってもよ
い。酸化性雰囲気としては、空気中で熱処理をおこなう
ことが一般的である。

【００１６】熱処理により、下部電極と誘電体薄膜との
強固な接着も期待できる。この理由は明らかではないが
、タンタルの一部が下部電極中を拡散して誘電体薄膜と
の接触部分に達して酸化物に変化するためと考えられる
。

【００１７】ここで、誘電体薄膜の誘電率が酸化タンタ
ルの誘電率よりも大きいときは、酸化タンタルが相対的
に大きな電圧を受け持ち、全体としての絶縁性の向上と
誘電特性の向上が図られた。

【００１８】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。

【００１９】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
。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】特に二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、二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、二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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】

【発明の効果】本発明は、薄膜コンデンサの基板と下部
電極との間にタンタル層を設けることにより、基板と下
部電極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。

【００２７】

【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。タン
タル層の厚みは、あらかじめ得られた較正曲線により、
スパッタリング時間を変えることにより変化させた。

【００２８】実施例１ 平滑アルミナ基板（日本ＭＲＣ社製：Ｈｉ−Ｒｅｌ）上
にスパッタリングによりＴａ（５ｎｍ）層を形成し、そ
の上にＰｔ（２００ｎｍ）層を形成した。次に、３００
℃で１時間酸素中で熱処理後、この上にＴｉＯ２　の薄
膜１０００ｎｍを同じくスパッタリングにて形成後、７
００℃、５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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】実施例４ Ｔａ層の厚みを２００ｎｍ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５ 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。

【００３３】実施例６ 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。

【００３４】実施例７ 石英基板上にスパッタリングによりＴａ（５０ｎｍ）層
を形成し、その上にＡｕ（２００ｎｍ）層を形成した。 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。この液を上部電極のＡｕ層の上
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１０００ｎｍ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。

【００３５】実施例８ 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Ｔａ（２０ｎｍ
）層を形成し、その上にＰｄ−Ａｇ（５０−５０）（３
００ｎｍ）層を形成した。この上に電子ビーム蒸着で５
００ｎｍの厚みのＴｉＯ２　薄膜を形成後、６００℃で
５時間酸素中で熱処理をした。さらに、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。

【００３６】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。

【００３７】比較例２ Ｔａ層の厚みを３ｎｍ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。

【００３８】比較例３ 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。

【００３９】比較例４ 実施例８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。

【００４０】

Claims (2)

【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、基板と下部電極との間
   に厚みが５〜５００ｎｍのタンタル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】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の製造において、基板上に厚みが
   ５〜５００ｎｍのタンタル層を形成して、その上に下部
   電極を形成後、またはさらに誘電体薄膜を形成後に３０
   ０〜１０００℃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。