JPS63237514A - 薄膜コンデンサ - 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】 産業上の利用分野 本発明は、小型で静電、容量の大きい薄膜コンデンサに
関するものである。

従来の技術 ＬＳＩ技術の進展、実装技術の進展とともに各種電子部
品の小型化に対する要請がますます強くなっている。集
積回路用コンデンサとしては、これまで５ｉ０２、Ｓｉ
３Ｎ＋　、Ｔａ２０ａなどを誘電体層に用いた薄膜コン
デンサが研究され、一部で実用に供されている。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、これらの材料の誘電率はそれぞれ５．８
．２５と小さく、大容量化のためにペロブスカイト構造
をもつ酸化物など誘電率の大きい材料を用いた試みがい
くつか報告されているが、実用的に満足できるコンデン
サ特性は得られておらず、格子欠陥や結晶不整などの少
ない良質な結晶薄膜を作成する技術の確立が望まれてい
た。

−−と艶与叫賂姦 本発明の目的は、これらの欠点を解決して、誘電率が１
７０以上であるペロブスカイト型５ｒＴｉＯｓの良質な
薄膜を簡便に作成し、これを用いた小型大容量の薄膜コ
ンデンサを提供する事にある。

問題点を解決するだめの手段 本発明による薄膜コンデンサは上記目的を達成するもの
で、結晶軸が一定方向に配向し、かつ、導電性を示す組
成式Ｌａ、−ｘ□ＳｒｘＢａ１ＭｅＯ３−δで表わされ
るペロブスカイト型酸化物の薄膜と、前記酸化物薄膜上
にエピタキシャル成長せしめた５ｒＴｉ０３め薄膜と、
前記５ｒＴｉＯ，上に設けられた金属薄膜を構成単位と
して含む事を特徴とするものである。

作用 本発明で使用される導電性酸化物Ｌａ、−ｘ−，５ｒＸ
Ｂａ、ＭｅＯ２−δはペロブスカイト構造を有し、ｘ、
　ｙの値によって理想的な立方格子もしくは立方格子か
られずかに歪んだ菱面体格子で形成される。たとえばＬ
ａ。、　、　Ｓｒｏ、、ＣｏＯ，２ＦｅｑｇＯ＋はａ　
＝　３．８６１　Ａを有する立方晶であシ、同じく立方
晶である５ｒＴｉ０３のａ＝３．９０４Ａに近く、ミス
フィツトは１．１％と小さい。格子定数はＸｚ’ｌによ
って大巾には変化せずＯ≦ｘ≦０．８、Ｏ＜ｙ≦０．５
．０．１≦ｘ　＋　ｙ≦０．８の範囲にある時のＳｒＴ
ｉＯ３とのミスフィツトは数％以内である。アルカリノ
・ライド単結晶上へのアルカリハライドの単結晶がミス
フィツト上１４５以内でエピタキシャル成長する事が知
られておシ、上記の値から５ｒＴｉＯ＋がＬａ、　Ｘ　
、５ｒｘＢａ、ＭｅＯ２，５上にエピタキシャル成長す
る可能性が極めて犬であると推測された。この様に５ｒ
ＴｉＯｓとのミスフィツトの小さい事がＬａ　１−Ｘ、
Ｓ　ｒｘＢ　ａｙＭｅＯ３−Ｊの第１の特徴である。

第２の、そして極めて重要な特徴はＬａ、　Ｘ　、５ｒ
ｘＢａ、Ｍｅｏ、５の薄膜における配向性の良さである
。

一般に配向性の良好な薄膜を得るには、基板に製膜した
い材料と格子定数の近い単結晶が使用される。たとえば
、正方晶のペロブスカイト酸化物ＴｂＴｉ０５（ａ＝３
．９０４Ａ、　Ｃ二４．１５Ａ）の薄膜を立方晶のＭｇ
Ｏ（ａ　＝　４．２０３Ａ）基板上にスパッタリング法
で作成した場合、Ｃ軸がＭｇＯ基板に垂直に並んだ配向
膜がエピタキシャル成長する事が知られている。この場
合のミスフィツトは７，１％でちる。これに対し、Ｌａ
、　ｚ、５ｒｘＢａ、ＭｅＯ２，５では、基板として結
晶軸に全く配向性のない石英ガラスを用いた場合でも極
めて配向性の良いスパッタ膜が得られる事が、本発明者
らの研究で発見され、この様な配向性の良好なＬａ１−
ｘ、５ｒｘＢａ、ＣｏＯ３−δ薄膜上に５ｒＴｉ０３を
成膜する事によシ結晶性のすぐれた良質な５ｒＴｉＯ＋
薄膜を簡便、かつ、安価に得る事が可能となり、本発明
が完成されるに至った。

本発明で使用されるＬａ、　Ｘ　、５ｒｘＢａｙＣｏ０
３Ｈの第３の特徴は、その固有抵抗値ρが低く、それ自
白が電極として作用する点にある。たとえば、Ｌａｏ、
５Ｓ　ｒｏ、５　Ｃｏ　Ｏ３ではρ〜５×１０　Ω・ｍ
が得られる。

この様にＬａ１Ｘ−ｙ　Ｓ　ｒｘＢａ、Ｍｅ　Ｏ，５は
ＳｒＴｉＯ３とのミスフィツトが小さく、配向性の良好
な膜が得やすく、低い固有抵抗をもつという特徴を有す
るが、これらの特徴はとくに、ＭｅがヌｈＦｅｓ　Ｃｏ
から選ばれ、０〈ｘ＜０．８、０≦ｙ〈ｏ、ｓ、０．１
りｘ＋ｙ＜Ｏ，Ｓ、Ｏ＜δ〈０．５の範囲にある時に発
揮され、実用的に望ましい膜を得る事ができる０δ（酸
素欠損量）の制御は、スパッタリング時の雰囲気、基板
温度で制御する事が可能であり、雰囲気にＡｒと０２の
混合ガスを用い、基板温度を７００Ｃ以下にする事が望
ましい。

実施例 以下に図面にしたがって本発明の詳細な説明する。

第１図に本発明の一実施例における薄膜コンデンサの断
面図を示す。基板１上に、Ｌａ、　Ｘ　、５ｒＸＢａ、
ＭｅＯ３Ｊの配向性導電膜２．５ｒＴｉ０３膜３、金属
膜４をこの順でスパッタリング法などで作成する。配向
性導電膜２と５ｒＴｉ０３膜３と金属膜３で構成単位が
形成され、それぞれ、下部電極、誘電体層、上部電極と
して作用する。Ｓ　ｒ　Ｔ　ｉ　Ｏ３膜３の厚みは要求
される静電容量に応じ、数１０ＯＡの範囲で変化させる
ことができる。配向性導電膜２の厚みはＬａ、　ｚ、Ｓ
ｒｘＢａｙＭｅ０３．５の固有抵抗値が金属のそれに比
べ１〜２桁高いために、一般に１μｍ程度以上にする事
が望ましい。

第２図に本発明の他の実施例における薄膜コンデンサの
断面図を示す。第１の実施例と異なる点は、基板１と配
向性導電膜２の間に金属膜５を設けたことにあシ、これ
によって配向性導電膜２の厚みを数１００Ａ程度にする
事が可能となる。３は５ｒＴｉＯａ膜、４は金属膜であ
り、金属膜４．５の厚みは数１００ＯＡが望ましい。

基板１は必らずしも配向性を有する必要はなく、ガラス
、Ｍ２Ｏ，セラミックス、ｚｒＯ２セラミックスなどを
使用する事が可能であり、金属箔を使用することも可能
である。

金属膜４．５にはＡｕＸＰ　ｔ　％　Ｔｔ　ＸンＬＣｒ
ｚ　Ｎｉ％ＣｕＸＭｏやＴｉＮなどを使用する事が可能
であり、スパッタリング以外に蒸着法などを用いて製膜
する事も可能である。配向性導電膜２はＤＣスパッタリ
ング法、ＲＦスパッタリング法のいずれを用いても製膜
が可能であるが、５ｒＴｉＣ）＋膜３の製膜には５ｒＴ
ｉ０３が絶縁物のためＤＣスパッタリング法を用いる事
はできない。

配向性導電膜２とＳｒＴｉＯ３膜３をスパッタリングす
る際のスパッタガスとしてはＡｒと０□の混合ガスが望
ましく、ガス圧は１０〜１０　Ｔｏｒｒである事が望ま
しい。基板温度が高い程良質な膜が得られるが、Ｌａ、
−Ｘ、５ｒｘＢａ、ＭｅＯ２，５の製膜時に基板温度を
高くしすぎると、δ〉０．５となシペロブスカイト以外
の相が生成される場合があるので、７００Ｃ以下にする
事が望ましい。製膜終了後に０２ガスを含む雰囲気で加
熱処理を行ない結晶性を向上させる事も可能である。第
３図に石英ガラス基板として、ＲＦスパッタリングでＬ
ａｏ、５Ｓｒ、５Ｃｏ　０３膜を作成し、６００Ｃで熱
処理を行なった場合のＸ線回折パターンを示す。スパッ
タリングのターゲットに用いたＬａ。、５　Ｓ　ｒＱ、
　５　Ｃｏ　Ｏ３原料粉末の回折パターンでは、２θが
加変と６０度の範囲で（１００）、（１１０）、（１１
１）、（２００）、　（０１２）、（１２１）面からの
合計６本の回折線が観測され、　（１１０）回折線が最
も強＜（２００）回折線の約３倍の強度を示す。それに
対し本実施例の場合、第３図に示すように（１００）、
（２００）回折線のみが観測され、完全に（１００）配
向した膜である事がわかる。Ｏ〈ｘ　＜　０．８、Ｏ＜
ｙ’−０，５，０，１りｘ　＋　ｙ　’−０，８，０く
δ＜０．５　　の範囲にあシ、ＭｅがＭ私ＦｅｚＣｏの
うちから選ばれた場合にははソ同様の結果が得られ、ま
た、Ｍ蒸着した石英ガラス基板やＭ箔、あるいは届２０
３、ＺｒＯ２のセラミック基板を用いても配向性薄膜が
得られた。

この様に配向した配向性導電膜２の上に５ｒＴｉＯｓ膜
３を成長させ、これを誘電体層として用いた薄膜コンデ
ンサの実施例を以下に述べる。

〈実施例１〉 石英ガラス基板１上に、厚さ２μｍのＬａ。、５　Ｓ　
ｒｑ５Ｃｏｏ、５　（δ≦０．５）の配向性導電膜２、
厚さ１００ＯＡのＳｒＴｉＯ３膜３、厚さ２０００　Ａ
のＳ　ｒＴ　ｉＯｓ膜３、厚さ２００ＯＡのＭ金属膜４
を製膜し、第１図に示す構造の薄膜コンデンサを作成し
た。得られたコンデンサの静電容量は１ｄ当り１７．５
μＦ１耐圧は約１２　Ｖ　、　　ｔａｎδはＩＲＨｚで
４％、漏れ電流は印加電圧５ｖで０．１μ八以下であっ
た。

〈実施例２〉 石英ガラス基板１と厚さ８００ＡのＬｉａｏ、５ｓｒ０
，５ｃＯＯ３−δ（δ＜０．５）の配向性導電膜２０間
に厚さ１０００　ＡのＡｕ金属膜を設けた他は実施例１
と同様にして、第２図に示す構造の薄膜コンデンサを作
成した。得られたコンデンサの静電容量は１ｄ当り１８
２μＦ、耐圧は約１３Ｖ、ｔａｎδはＩＲＨｚで１％、
漏れ電流は印加電圧５Ｖで０．１μＡ以下であった。

〈実施例３〉 実施例２において、Ｌａ、５Ｓｒ、５Ｃｏｑ　−，５（
δ≦０．５）をＬａｏ、７Ｂａｏ、３ｃＯＯ３−Ｊ　（
δ＜０．５）にかえたい以外は全く同じ構造の薄膜コン
デンサを作成し、同様のコンデンサ特性を得た。

〈実施例４〉 実施例２において、Ｌａ。、５Ｓｒ、５Ｃｏ０３　；３
　（δ≦０．５）にかえ、Ａｕ電極膜５をＭにかえた以
外は全く同じ構造の薄膜コンデンサを作成した。コンデ
ンサ特性はｔａｎδが３％となった以外ははソ同様の結
果を示した。

〈実施例５〉 実施例２において、Ｌａｏ、５Ｓｒ（，５Ｃｏｑ　、５
　（Ｊ≦０・５）をＬａｏ、６Ｓｒｏ、２Ｂａｏ、２Ｆ
ｅＯ３−δ（δ〈０．５）にかえ、その膜厚を２００Ｏ
Ａにした以外は全く同じ構造の薄膜コンデンサを作成し
、はソ同様のコンデンサ特性を得た。

〈比較例〉 実施例２において、Ｌａｏ、５Ｓｒ、、、ＣｏＯ３Ｊ　
（δ＜０．５）の配向性導電膜２をのぞいて同じ構造の
薄膜コンデンサを作成した。得られたコンデンサの静電
容量は１７．９μＦであったが、耐圧は約３Ｖ、　ｔａ
ｎδは１２％、漏れ電流は印加電圧２ｖで１．５μＡで
あった。

以上、実施例および比較例で示した様に、配向性導電膜
２を設ける事によって良質なＳ　ｒ　Ｔ　ｉ　Ｏ３膜３
がエピタキシャル成長し、コンデンサ特性を向上させる
事が可能となった。

本実施例では、配向性導電膜２と５ｒＴｉＯ，膜３と金
属膜５から成る基本構成単位のみで作成された薄膜コン
デンサについて説明したが、この構成単位を複数層積層
してさらに大容量化を達成する事も勿論可能である。

なお本実施例では、（１００）配向したＬａ、　Ｘ□Ｓ
　ｒｘＢ　ａｙＭｅ　０３−δの例を用いて説明したが
、スパッタリングの条件、たとえば、ＲＦスパッタリン
グをＤＣスパッタリングにかえる事によって（１１０）
配向した膜が得られ、これを用いて５ｒＴｉ０３をエピ
タキシャル成長させる事も勿論可能であり、Ｌａ、　Ｘ
、　５ｒＸＢａ、Ｍｅ　％、５の配向方向は本発明の範
囲を限定するものではない。

発明の効果 本発明による薄膜コンデンサは、Ｌａ、　Ｘ　、５ｒｘ
Ｂａ、ＭｅＯ２，５の配向性導電膜とＳｒＴｉ０３Ｍと
金属膜から成る構成単位を基板上に設けて作成され、Ｌ
ａ、　Ｘ　、５ｒＸＢａ、Ｍｅ０３Ｂの配向のし易さか
ら基板に配向性のある高価な単結晶などを使用する事な
く、簡便、かつ、安価に性能の良い薄膜コンデンサを実
現する事が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、本発明の一実施例における薄膜コ
ンデンサを示す断面図、第３図は本実施例の配向性導電
膜のＸ線回折パターンの１例を示す特性図である。 １・・・基板、２・・・配向性導電膜、３・・・５ｒＴ
ｉＯ＋膜、４．５・・・金属膜。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　はが１名第１
図 第３図 ２ｔ９　＜ｎ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）結晶軸が一定方向に配向し、かつ、導電性を示すペ
   ロブスカイト型酸化物Ｌａ＿１＿−＿ｘ＿−＿ｙＳｒ＿
   ｘＢａ＿ｙＭｅＯ＿３＿−＿δの薄膜と、前記酸化物薄
   膜上にエピタキシャル成長せしめたペロブスカイト構造
   を有するＳｒＴｉＯ＿３の薄膜と、前記ＳｒＴｉＯ＿３
   上に設けられた金属薄膜を構成単位として含む事を特徴
   とする薄膜コンデンサ。 ２）０≦ｘ≦０．８、０≦ｙ≦０．５、０．１≦ｘ＋ｙ
   ≦０．８、０≦δ≦０．５であり、ＭｅがＭｎ、Ｆｅ、
   Ｃｏのうちから選ばれた少なくとも１種である事を特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の薄膜コンデンサ。