KR20170110009A

KR20170110009A - 유전체막 및 전자 부품

Info

Publication number: KR20170110009A
Application number: KR1020170030323A
Authority: KR
Inventors: 히로키 우치야마; 라이타로우 마사오카; 쇼헤이 후지; 마이코 시로카와
Original assignee: 티디케이가부시기가이샤
Priority date: 2016-03-22
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2017-10-10
Also published as: TWI640474B; US20170275174A1; JP2017172042A; TW201739694A; EP3223304B1; KR101965561B1; JP6885110B2; EP3223304A1; US10035711B2; CN107221430B; CN107221430A

Abstract

높은 비유전율과 Q값, 및 절연 파괴 전압을 갖는 유전체막 및 그 유전체 조성물을 사용한 전자 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.
NaCl형 결정 구조를 갖는 알칼리 토류 금속 산화물을 주성분으로 하는 유전체막에 있어서, 상기 유전체막은 면직 방향으로 (111) 배향한 기둥 형상 구조를 갖고, 상기 유전체막의 Cu-Kα X선 회절 차트에서, (111)의 회절 피크의 반치폭이 0.3°내지 2.0°인 것을 특징으로 한다.

Description

유전체막 및 전자 부품{DIELECTRIC FILM AND ELECTRONIC COMPONENT}

본 발명은 유전체막 및 전자 부품에 관한 것이다.

스마트폰이나 태블릿으로 대표되는 이동체 통신 기기의 추가적인 고속 대용량 통신화에 대응하기 위해 복수의 주파수 대역을 동시에 사용하는 MIMO 기술(Multi-Input Multi-Output)의 실용화가 시작되고 있다. 통신에 사용하는 주파수 대역이 늘어나면, 주파수 대역마다 각각 고주파 부품이 필요해지는데, 기기 사이즈를 유지한 채로 부품점수를 늘리기에는, 각 부품의 추가적인 소형화, 고기능화가 요구된다.

이러한 고주파 대응의 전자 부품으로서, 예를 들어 다이플렉서나 밴드 패스 필터 등이 있다. 이것들은 모두 커패시터를 담당하는 유전체와 인덕터를 담당하는 자성체의 조합에 의해 구성되어 있는데, 양호한 고주파 특성을 얻기 위해서는, 고주파 영역에서의 각각의 손실을 억제하는 것이 요구된다.

유전체에 착안하면, (1) 소형화의 요구에 대한 대응으로서, 커패시터부의 면적을 작게 하기 위해, 비유전율(εr)이 높을 것, (2) 주파수의 선택성을 양호하게 하기 위해, 유전 손실이 작을, 즉 Q값이 높을 것, (3) 절연 파괴 전압이 높을 것, 등이 요구된다.

예를 들어 일반적으로 아몰퍼스 SiN_X막은, 고주파(2GHz)에서의 Q값이 500 정도로 높고, 절연 파괴 전압도 500V/㎛ 내지 700V/㎛ 정도로 높기 때문에 고주파 대응의 전자 부품에 널리 사용되고 있는데, 비유전율이 7 정도로 낮은 것으로부터, 목적으로 하는 기능을 갖게 하기 위해서는 큰 전극 면적이 필요해져, 소형화의 요구에 부응하는 것이 곤란하였다. 또한, 근년의 통신 기술의 진보에 따라, 고주파 부품의 추가적인 특성 향상이 요망되고 있고, 즉, 추가적인 높은 Q값 및 높은 절연 파괴 전압을 갖는 유전체가 요구되고 있다. 이러한 요구에 부응하기 위해, MgO나 CaO 등으로 대표되는 NaCl형의 알칼리 토류 금속을 주성분으로 한 유전체막이 최근 검토되기 시작하고 있다. 이 이유로서는, 1㎛ 이상의 후막에 있어서, 상기 아몰퍼스 SiN_X막의 특성을 상회하는 특성, 즉, 높은 비유전율(＞7)과 높은 Q값(＞500) 및 절연 파괴 전압(＞700V/㎛)를 갖기 때문이다.

비특허문헌 1에는, NaCl형 결정 구조를 갖는 MgO 후막을 1㎛ 미만의 박막으로 한 기술이 개시되어 있다. 제작된 MgO 박막은 두께 260nm이고, 측정 주파수 1KHz에서 εr＝7, Q＝20을 나타내고, 절연 파괴 전압(Vbd)은 80V/㎛이라고 보고되어 있다.

비특허문헌 1: Journal of Sol-Gel Science and Technology 9, 295-301(1997) 『Electrical and Optical Properties of MgO Thin Film Prepared by Sol-Gel Technique』

비특허문헌 1에서 얻어진 유전체막의 특성을 보고 알 수 있는 바와 같이, 종래, MgO 후막에서 얻어졌던 높은 비유전율과, 높은 Q값 및 절연 파괴 전압이, 박막화함으로써 급속히 저하되어 있다. 얻어진 유전체막의 특성값을 보아도, 상기 아몰퍼스 SiN_X막의 특성을 하회하고 있고, 당연히, 고주파 부품에 사용하기에는 불충분하다. 이와 같이, NaCl형의 알칼리 토류 금속을 주성분으로 하는 유전체막은, 박막에서 양호한 특성을 나타내기 어렵다는 과제가 있었다. 현재, 이 원인의 하나로서, 유전체막의 막 구조가 최적화되어 있지 않은 것이 생각되고 있다.

본 발명은, 이러한 실상을 감안하여 이루어졌고, NaCl형 결정 구조를 갖는 알칼리 토류 금속 산화물을 주성분으로 하는 유전체막에 있어서, 막 두께를 1㎛ 이하로 한 경우라도, 높은 비유전율과 높은 Q값, 및 높은 절연 파괴 전압을 갖는 유전체막 및 그 유전체막을 사용한 전자 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 유전체막은,

NaCl형 결정 구조를 갖는 알칼리 토류 금속 산화물을 주성분으로 하는 유전체막에 있어서, 상기 유전체막은 면직(面直) 방향으로 (111) 배향한 기둥 형상 구조를 갖고,

상기 유전체막의 Cu-Kα X선 회절 차트에서, (111)의 회절 피크의 반치폭(半値幅)이 0.3° 내지 2.0°인 것을 특징으로 한다.

NaCl형 결정 구조를 갖는 알칼리 토류 금속 산화물을 주성분으로 하는 유전체막이, 상기의 특징을 가짐으로써, 막 두께를 1㎛ 이하로 한 경우라도, 높은 비유전율과 높은 Q값, 및 높은 절연 파괴 전압을 나타내는 유전체막 및 그 유전체막을 사용한 전자 부품을 제작하는 것이 가능해진다.

또한, 상기 본 발명에 따른 유전체막을 사용함으로써, 종래 고주파 대응의 전자 부품에 사용되어 왔던 유전체막과 비교하여, 높은 비유전율이 얻어지기 때문에 소형화에 대응하는 것이 가능해진다. 또한, 종래의 유전체막보다도 Q값이 높고, 즉, 높은 S/N비를 나타내고, 또한 절연 파괴 전압이 높고, 즉, 높은 ESD 특성을 갖는 유전체 공진기나 유전체 필터 등의 전자 부품을 제공할 수 있다.

본 발명은, NaCl형 결정 구조를 갖는 알칼리 토류 금속 산화물을 주성분으로 하는 유전체막에 있어서, 막 두께를 1㎛ 이하로 한 경우라도, 높은 비유전율과 높은 Q값, 및 높은 절연 파괴 전압을 갖는 유전체막 및 그 유전체막을 사용한 전자 부품을 제공할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 박막 콘덴서의 단면도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시형태에서의 유전체막의 기둥 형상 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 유전체막의 Cu-Kα X선 회절 차트이다.

이하, 본 발명의 적합한 실시형태에 대하여, 경우에 따라 도면을 참조해서 설명한다.

<박막 콘덴서(10)>

도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 유전체막을 사용한 전자 부품의 일례인 박막 콘덴서(10)의 단면도이다. 박막 콘덴서(10)는, 지지 기판(1)의 표면에 적층된 하부 전극(3)과 상부 전극(4) 및 하부 전극(3)과 상부 전극(4) 사이에 형성된 유전체막(5)을 구비하고 있다. 지지 기판(1)과 하부 전극(3) 사이에, 지지 기판(1)과 하부 전극(3)의 밀착성을 향상시키기 위해 하지층(2)을 구비한다. 지지 기판(1)은, 박막 콘덴서(10) 전체의 기계적 강도를 확보하는 기능을 갖는다.

박막 콘덴서의 형상에 특별히 제한은 없지만, 통상, 직육면체 형상으로 한다. 또한 그 치수에도 특별히 제한은 없고, 두께나 길이는 용도에 따라 적당한 치수로 하면 좋다.

<지지 기판(1)>

도 1에 도시한 지지 기판(1)을 형성하기 위한 재료는 특별히 한정되는 것이 아니고, 단결정으로서는 Si 단결정, SiGe 단결정, GaAs 단결정, InP 단결정, SrTiO₃ 단결정, MgO 단결정, LaAlO₃ 단결정, ZrO₂ 단결정, MgAl₂O₄ 단결정, NdGaO₃ 단결정이나, 세라믹 다결정 기판으로서는 Al₂O₃ 다결정, ZnO 다결정, SiO₂ 다결정이나, Ni, Cu, Ti, W, Mo, Al, Pt 등의 금속이나, 그것들의 합금의 기판 등에 의해 지지 기판(1)을 형성할 수 있는데 특별히 한정되는 것은 아니다. 이것들 중에서는, 저비용, 가공성에서, Si 단결정을 지지 기판(1)으로서 사용되는 것이 일반적이다. 지지 기판(1)은 기판의 재질에 따라서 그 비저항이 다르다. 비저항이 낮은 재료를 지지 기판(1)으로서 사용하는 경우, 그대로 사용하면 지지 기판(1)측으로의 전류의 누설이 박막 콘덴서(10)의 전기 특성에 영향을 미치는 경우가 있다. 따라서, 지지 기판(1)의 표면에 절연 처리를 실시하여, 사용시의 전류가 지지 기판(1)으로 흐르지 않도록 하는 경우도 있다. 예를 들어, Si 단결정을 지지 기판(1)으로서 사용할 경우에서는, 지지 기판(1) 표면을 산화시켜서 SiO₂ 절연층의 형성을 행하는 것이나, 지지 기판(1) 표면에 Al₂O₃, SiO₂, SiN_X 등의 절연층을 형성해도 좋고, 지지 기판(1)으로의 절연을 유지할 수 있으면 그 절연층의 재료나 막 두께는 한정되지 않지만, 0.01㎛ 이상이 바람직하다. 0.01㎛ 미만에서는 절연성을 유지할 수 없기 때문에, 절연층의 두께로서 바람직하지 않다. 지지 기판(1)의 두께는, 박막 콘덴서 전체의 기계적 강도를 확보할 수 있으면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 10㎛ 내지 5000㎛으로 설정된다. 10㎛ 미만의 경우에는 기계적 강도를 확보할 수 없고, 5000㎛를 초과하면 전자 부품의 소형화에 기여할 수 없다는 문제가 생기는 경우가 있다.

<하지층(2)>

본 실시형태에 있어서, 절연 처리를 실시한 지지 기판(1) 표면에, 하지층(2)을 구비하는 것이 바람직하다. 하지층(2)은, 지지 기판(1)과 하부 전극(3)의 밀착성 향상을 목적으로 하여 삽입된다. 일례로서, 하부 전극(3)에 Cu를 사용하는 경우에는 하지층(2)은 Cr을, 하부 전극(3)에 Pt를 사용하는 경우에는 Ti를 하지층(2)으로서 삽입하는 것이 일반적이다.

상기 하지층(2)은, 지지 기판(1)과 하부 전극(3)의 밀착성 향상을 목적으로 하고 있는 것으로부터, 상기 일례로서 들은 재료에 한정되는 것은 아니다. 또한, 지지 기판(1)과 하부 전극(3)의 밀착성을 유지할 수 있다면, 하지층(2)은 생략해도 좋다.

<하부 전극(3)>

하부 전극(3)을 형성하기 위한 재료는, 도전성을 갖고 있으면 좋고, 예를 들어, Pt, Ru, Rh, Pd, Ir, Au, Ag, Cu, Ni 등의 금속이나, 그것들의 합금, 또는 도전성 산화물 등에 의해 형성할 수 있다. 따라서, 비용이나 유전체막(5)을 열처리할 때의 분위기에 대응한 재료를 선택하면 좋다. 유전체막(5)은 대기중 외에, 불활성 가스인 N₂나 Ar, 또한 O₂, 불활성 가스와 환원성 가스인 H₂의 혼합 가스로 열처리를 행할 수 있다. 하부 전극(3)의 막 두께는 전극으로서 기능하면 좋고, 10nm 이상이 바람직하다. 10nm 미만의 경우, 도전성이 나빠지므로 바람직하지 않다. 또한, 지지 기판(1)에 전극으로서 사용 가능한 Cu나 Ni, Pt 등이나 산화물 도전성 재료 등을 사용한 기판을 사용할 경우에는, 전술한 하지층(2)과 하부 전극(3)은 생략할 수 있다.

하부 전극(3)의 형성 후에 열처리를 행하여, 하지층(2)과 하부 전극(3)의 밀착성 향상과, 하부 전극(3)의 안정성 향상을 도모하여도 좋다. 열처리를 행할 경우, 승온 속도는 바람직하게는 10℃/분 내지 2000℃/분, 보다 바람직하게는 100℃/분 내지 1000℃/분이다. 열처리시의 유지 온도는, 바람직하게는 100℃ 내지 800℃, 그 유지 시간은 바람직하게는 0.1시간 내지 4.0시간이다. 상기의 범위를 초과하면, 밀착 불량이나, 하부 전극(3) 표면에 요철이 발생하기 쉬워져, 유전체막(5)의 유전 특성이 저하되기 쉽다.

<유전체막(5)>

유전체막(5)은, NaCl형 결정 구조를 갖는 알칼리 토류 금속 산화물을 주성분으로 하고, 면직 방향으로 (111) 배향한 기둥 형상 구조를 갖고, 유전체막의 Cu-Kα X선 회절 차트에서, (111)의 회절 피크의 반치폭이 0.3° 내지 2.0°인 것을 특징으로 한다.

상기의 특징을 갖는 유전체막은, 막 두께를 1㎛ 이하로 한 경우라도, 높은 비유전율과 높은 Q값, 및 높은 절연 파괴 전압을 갖는 것이 가능해진다.

본 발명자들은, 이러한 효과가 얻어지는 요인을 다음과 같이 생각하고 있다. 우선, 높은 비유전율과 높은 Q값을 실현할 수 있었던 요인에 대하여 설명한다. 일반적으로, 결정의 대칭성이 좋고, 원자나 분자가 규칙적으로 늘어서 있는 상태, 즉 결정성이 좋은 경우, 높은 비유전율과 Q값을 갖는 것이 알려져 있다. 결정성이 좋은 유전체를 박막으로 할 때, 종래의 결정 구조가 무너지기 쉽고, 결정의 대칭성이 흐트러지고, 원자나 분자의 배열이 유지되지 않게 되어, 즉 결정성이 저하되기 때문에, 비유전율과 Q값이 저하되기 쉬운 경향이 된다.

NaCl형 결정 구조를 갖는 알칼리 토류 금속 산화물을 주성분으로 하는 유전체막에서도, 상기에 나타낸 바와 같은 높은 결정성을 갖고 있기 때문에, 박막화했을 때에 종래의 기술에서는, 결정성이 저하되고, 높은 비유전율이나 높은 Q값을 얻을 수 없었던 것이라고 생각하고 있다. 이 때문에, 박막화했을 때에 종래의 높은 결정성을 유지할 필요가 있고, NaCl형 결정 구조를 갖는 알칼리 토류 금속 산화물을 주성분으로 하는 유전체막에서는, 유전체막의 면직 방향으로 (111)로 배향한 기둥 형상 구조를 유전체막 내에 구비함으로써, 결정 구조의 흐트러짐, 즉 결정성의 저하를 억제하는 것이 가능해지고, 그 결과, 박막화하여도, 높은 비유전율과 높은 Q값을 얻을 수 있었던 것이라고 생각하고 있다. 한편, (111)로 배향한 기둥 형상 구조를 구비하지 않는 경우, 박막화했을 때에 결정성이 저하되어버려, 높은 비유전율 및 높은 Q값을 얻는 것이 곤란해진다.

상기에 기재한 본 발명의 특징의 하나인 기둥 형상 구조에 대하여 설명한다.

본 발명의 기둥 형상 구조란, 도 2에 도시한 바와 같이, 유전체막의 수직 방향의 단면에서 관찰한 경우, 유전체막의 두께 방향으로 긴 결정자(6)를 구비하고 있는 구조를 의미하고 있다. 본 발명의 기둥 형상 구조는, 유전체막 전체에 지지 기판 표면의 법선 방향 또는 ±5°를 따라 연장되어, 도 2 중에 기재되어 있는 H와 L의 비, 즉, 종횡비가 (H/L)≥2를 만족하는 결정자로 이루어진 구조로 되어 있다.

다음으로, 높은 절연 파괴 전압을 실현할 수 있는 요인에 대하여 설명한다. 일반적으로 배향한 기둥 형상 구조를 갖는 유전체막은, 입계가 막 두께 방향으로 다수 존재하는 구조이기 때문에, 절연 파괴 전압이 낮다고 말해지고 있다. 이 때문에, 대부분의 경우, 유전체막을 구성하고 있는 결정 입자의 형상을 구상화하고, 막 두께 방향 이외에도 다수의 입계를 형성함으로써 전도 패스를 복잡화하여, 절연 파괴 전압을 개선하고 있다. 하지만, 이 방법에서는, 막 두께 방향 이외에 많은 입계가 형성되기 때문에, Q값이 저하되기 쉽다는 과제가 있었다. 그래서, 본 발명에서는, 구상의 결정 입자를 형성하는 것이 아니라, 본 발명의 특징인 기둥 형상 구조를 구성하는 결정자의 종횡비는 유지한 채로 결정자의 사이즈를 미세화함으로써, Q값을 저하시키지 않고, 높은 절연 파괴 전압을 실현하였다.

상기와 같이, 기둥 형상 구조를 구성하는 결정자의 사이즈를 작게 한 경우, 상기 결정자의 존재는, CuKα선을 사용하여 측정한 경우, 도 3에 도시한 바와 같은 X선 회절 차트에서 얻어지는 회절 피크의 반치폭으로 확인할 수 있고, 본 발명에서 말하면 (111)의 회절 피크의 반치폭으로, 결정자의 사이즈를 확인할 수 있다. 상기 반치폭이 작을수록, 결정자의 사이즈는 크고, 반치폭의 값이 클수록, 결정자의 사이즈가 작은 것을 의미하고 있다.

본 발명의 실시형태에 따른 유전체막(5)은, 유전체막의 Cu-Kα X선 회절 차트에서, (111)의 회절 피크의 반치폭이 0.3° 내지 2.0°임으로써, 기둥 형상 구조가 작은 결정자로 구성되게 되므로, 높은 비유전율과 높은 Q값을 유지하면서, 보다 높은 절연 파괴 전압을 얻을 수 있다. 상기 반치폭이 0.3° 미만의 경우, 기둥 형상 구조를 구성하는 결정자의 사이즈카 너무 커져 버려서, 높은 절연 파괴 전압이 얻어지기 어려운 경향이 되어 버린다. 한편, 반치폭이 2.0°를 초과하면 결정자의 사이즈가 너무 작아져 버리고, 결정성이 저하되어 버려, 높은 비유전율 및 높은 Q값을 얻는 것이 곤란해져 버린다.

이상과 같이, 높은 결정성을 갖는 NaCl형 결정 구조를 갖는 알칼리 토류 금속 산화물을 주성분으로 하는 유전체막이, 면직 방향으로 (111) 배향한 기둥 형상 구조를 구비하고, 또한 Cu-Kα X선 회절 차트에서, (111)의 회절 피크의 반치폭을 0.3° 내지 2.0°로 함으로써, 높은 비유전율과 높은 Q값, 및 높은 절연 파괴 전압을 얻는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명의 바람직한 형태로서는, 유전체막(5)이, NaCl형 결정 구조를 갖는 알칼리 토류 금속 산화물을 주성분으로 하는 것 외에, 부성분으로서 Ta, Nb, V, Hf, Zr, Ti, Zn 중 적어도 1종류의 원소를 포함하는 것이 바람직하다.

부성분으로서 Ta, Nb, V, Hf, Zr, Ti, Zn 중 적어도 1종류의 원소를 포함함으로써, 기둥 형상 구조를 구성하는 결정자의 사이즈를 제어하기 쉬워지는 동시에, 기둥 형상 구조 자체의 절연 저항을 높이는 효과가 보다 강해진다. 그 결과, 부성분이 포함되지 않는 경우와 비교하여, 부성분을 포함함으로써, 보다 높은 절연 파괴 전압을 얻는 것이 가능해진다.

또한, 상기 부성분의 총 함유량을 x로 한 경우, 상기 총 함유량 x가 상기 주성분에 대하여 0mol%＜x≤20mol%의 범위인 것이 바람직하다.

상기 부성분의 총 함유량 x를 상기의 범위로 함으로써, 기둥 형상 구조를 구성하는 결정자의 사이즈를 제어하기 쉬워지는 작용과 기둥 형상 구조 자체의 절연 저항을 높이는 작용과 함께, NaCl형 결정 구조를 갖는 알칼리 토류 금속 산화물을 주성분으로 하는 유전체막이 갖고 있는 결정성을 높이는 작용이 강해진다. 그 결과, 높은 절연 파괴 전압을 유지하면서, Q값을 보다 높이는 것이 가능해진다.

유전체막(5)의 두께는, 바람직하게는 10nm 내지 2000nm, 보다 바람직하게는 50nm 내지 1000nm이다. 10nm 미만에서는 절연 파괴가 생기기 쉽고, 2000nm을 초과하는 경우에서는, 콘덴서의 정전 용량을 크게 하기 위해 전극 면적을 넓게 할 필요가 있고, 전자 부품의 설계에 따라서는 소형화가 곤란해지는 경우가 있다. 유전체막 두께의 계측은 FIB(집속 이온 빔) 가공 장치로 굴삭하여, 얻어진 단면을 SIM(주사형 이온 현미경) 등으로 관찰하여 측정하면 좋다.

유전체막(5)은, 바람직하게는 진공 증착법, 스퍼터링법, PLD(펄스 레이저 증착법), MBE(분자선 에피택시법), MO-CVD(유기 금속 화학 기상 성장법), MOD(유기 금속 분해법)이나 겔·졸법, CSD(화학 용액 퇴적법) 등의 각종 박막 형성법을 사용하여 형성한 것이다. 그때에 사용하는 원료(증착 재료, 각종 타깃 재료나 유기 금속 재료 등)에는 미소한 불순물이나 부성분이 포함되어 있는 경우가 있는데, 절연성을 크게 저하시키는 불순물이 아니면 특별히 문제는 없다.

또한, 본 발명에 따른 유전체막(5)은, 본 발명의 효과인 비유전율이나 Q값, 절연 파괴 전압을 크게 열화시키는 것이 아니면, 미소한 불순물이나 부성분을 포함하고 있어도 상관없다. 따라서, 잔부에 있는 주성분의 함유량은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 상기 주성분을 함유하는 유전체막 전체에 대하여 80% 이상, 100% 이하이다.

또한, 유전체막(5)은 통상, 본 발명의 유전체막만으로 구성되는데, 다른 유전체막과 조합한 적층 구조라도 상관없다. 예를 들어, 기존의 Si₃N_X, SiO_X, Al₂O_X, ZrO_X, Ta₂O_X 등의 아몰퍼스 유전체막이나 결정막의 적층 구조로 함으로써, 유전체막(5)의 임피던스나 비유전율의 온도 변화를 조정하는 것이 가능해진다. 또한, 상기 적층 구조로 함으로써, 유전체막(5)의 대기 폭로를 억제하는 것도 가능해진다.

<상부 전극(4)>

본 실시형태의 일례에 있어서, 박막 콘덴서(10)는, 유전체막(5)의 표면에, 박막 콘덴서(10)의 다른 쪽 전극으로서 기능하는 상부 전극(4)을 구비하고 있다. 상부 전극(4)을 형성하기 위한 재료는, 도전성을 갖고 있으면 특별히 한정되는 것은 아니고, 하부 전극(3)과 동일한 재료에 의해 상부 전극(4)을 형성할 수 있다. 상부 전극(4)의 막 두께는 전극으로서 기능하면 좋고, 10nm 이상이 바람직하다. 막 두께가 10nm 이하의 경우, 도전성이 악화되므로 상부 전극(4)으로서 바람직하지 않다.

상술한 실시형태에서는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 유전체막을 사용한 전자 부품의 일례로서의, 박막 콘덴서를 예시하였는데, 본 발명에 따른 유전체막을 사용한 전자 부품으로서는, 박막 콘덴서로 한정되지 않고, 예를 들어, 다이플렉서, 밴드 패스 필터, 밸룬(balun; balance to unbalanced transformer)이나 커플러 등, 유전체막을 갖는 전자 부품이면 무엇이든 좋다.

[실시예]

이하, 본 발명을, 더욱 상세한 실시예에 기초하여 설명하겠지만, 본 발명은, 이들 실시예에 한정되지 않는다.

<실시예 1><비교예 1>

우선, 350㎛ 두께의 Si의 표면에 6㎛ 두께의 SiO₂ 절연층을 구비한 10mm×10mm각의 지지 기판의 표면 위에, 하지층인 Cr 박막을 20nm의 두께가 되도록 스퍼터링법으로 형성하였다.

이어서, 상기에서 형성한 Cr 박막의 하지층 위에 하부 전극인 Cu 박막을 100nm의 두께가 되도록 스퍼터링법으로 형성하였다.

형성한 Cr/Cu 박막에 대하여, 승온 속도를 10℃/분, 유지 온도를 150℃, 온도 유지 시간을 0.5시간, 분위기를 질소 분위기로 하고 상압 하에서 열처리를 행하였다.

유전체막의 형성에는 스퍼터링법을 사용하였다. 유전체막의 형성에 필요한 타깃은 다음과 같이 제작하였다.

우선, 표 1에 기재한 시료 No. 1 내지 시료 No. 47의 Mg, Ca, Sr, Ba, Ta, Nb, V, Hf, Zr, Ti, Zn의 양이 되도록 MgCO₃, CaCO₃, SrCO₃, BaCO₃, Ta₂O₅, Nb₂O₅, V₂O₅, HfO₂, ZrO₂, TiO₂, ZnO의 칭량을 행하여, 1L의 광구 폴리에틸렌 포트에 칭량한 원료 분말과 무수 에탄올, 및 φ2mm의 ZrO₂ 비즈를 넣어 20시간의 습식 혼합을 행하였다. 그 후, 혼합 분말 슬러리를 100℃에서 20시간 건조시켜, 얻어진 혼합 분말을 Al₂O₃ 도가니에 넣어, 대기 중 1250℃에서 5시간 유지하여, 가소 분말을 얻었다.

얻어진 가소 분말을, 일축 가압 프레스기를 사용하여 성형체를 얻었다. 성형 조건은, 압력: 2.0×10⁸Pa, 온도: 실온으로 하였다.

그 후, 얻어진 성형체에 대하여, 승온 속도를 200℃/시간, 유지 시간을 1600℃ 내지 1700℃, 온도 유지 시간을 12시간으로 하고, 분위기는 상압의 대기 중에서 소성을 행하였다.

얻어진 소결체의 두께가 4mm가 되도록, 원통 연마기로 양면을 연마하여, 유전체막을 형성하기 위해 필요한 스퍼터링용 타깃을 얻었다.

이렇게 해서 얻어진 스퍼터링용 타깃을 사용하여, 하부 전극 위에 800nm의 두께가 되도록 표 1에 기재한 성막 조건 하에서 스퍼터링법을 사용하여 유전체막을 형성하였다. 또한, 하부 전극의 일부를 노출시키기 위해, 메탈 마스크를 사용하여, 유전체막이 일부 성막되지 않은 영역을 형성하였다.

또한, 표 중의 「-」는 포함되지 않은 것을 의미하고 있다.

유전체막 두께의 계측은 FIB로 굴삭하여, 얻어진 단면을 SIM으로 관찰하여 측정하였다.

성막 후의 유전체막의 조성은, 모든 시료에 대하여 XRF(형광 X선 원소 분석)를 사용하여 분석을 행하여, 표 1에 기재된 조성임을 확인하였다.

또한, 얻어진 모든 유전체막에 대하여, 결정 구조 및 결정성의 확인을 각각 하기에 나타내는 방법에 의하여 행하였다.

<기둥 형상 구조>

기둥 형상 구조는, 유전체막의 단면을 TEM 관찰함으로써 확인하였다. 암시야상에서 결정자의 종횡비를 계측하고, 그 종횡비가 2 이상의 결정자로 구성되어 있는 것에 대하여 기둥 형상 구조를 갖는 막이라고 정의하였다.

<결정 배향 및 결정성>

유전체막에 대하여, X선 회절(평행법)에 의한 측정을 행하여, 회절 패턴을 얻었다. X선원으로서 Cu-Kα선을 사용하고, 그 측정 조건은, 전압 45kV, 200mA, 2θ=20° 내지 80°의 범위로 하였다. 유전체막의 배향에 대하여, 얻어진 회절 패턴에서의, (111)의 피크와, (200)의 피크 강도비를 비교하고, 그 비((111)의 피크 강도/(200)의 피크 강도)가 1.5 이상을 나타내는 것에 대하여, (111)로 배향하고 있다고 정의하였다. 또한, 결정성을 나타내는 지표로서, 배향하고 있는 면의 반치폭을 측정하였다. 도 3에 얻어진 회절 패턴으로부터 반치폭을 측정한 일례를 나타낸다.(실시예 1 시료 No. 1)

이어서, 얻어진 상기 유전체막 위에, 증착 장치를 사용하여 상부 전극인 Ag 박막을 형성하였다. 상부 전극의 형상을, 메탈 마스크를 사용하여 직경 100㎛, 두께 100nm이 되도록 형성함으로써, 도 1에 도시한 구조의 시료 No. 1 내지 시료 No. 47을 얻었다.

얻어진 모든 박막 콘덴서 시료에 대하여, 비유전율, Q값, 절연 파괴 전압의 측정을, 각각 하기에 기재한 방법에 의해 행하였다.

<비유전율, Q값>

비유전율, Q값은, 박막 콘덴서 시료에 대하여, 기준 온도 25℃에서, RF 임피던스/머티리얼 애널라이저(Agilent사 제조 4991A)로, 주파수 2GHz, 입력 신호 레벨(측정 전압) 0.5Vrms의 조건 하에서 정전 용량, 유전 손실(tanδ)을 측정하고, 측정된 정전 용량과 막 두께의 측정의 결과로부터 비유전율을, Q값은 유전 손실의 역수(1/tanδ)로부터 산출하였다(단위 없음). 아몰퍼스 SiN_X막의 비유전율이 7 정도였으므로, 본 발명에서는, 그것보다 높은 비유전율인 것을 양호로 하였다. 또한, 아몰퍼스 SiN_X막의 Q값은 약 500 정도였지만, 최근부터 고주파 특성이 좋은 부품이 요구되고 있기 때문에, Q의 값이 850 이상을 양호로 하였다.

<절연 파괴 전압>

절연 파괴 전압은, 박막 콘덴서 시료에 대하여, 하부 전극이 노출되어 있는 영역과 상부 전극에 디지털 초고저항/미소 전류계(ADVANTEST R8340)에 접속하여, 5V/초의 스텝으로 전압을 인가하여 계측하고, 초기 저항값으로부터 2자릿수 저하되었을 때의 전압값을 판독하여, 그 값을 시료의 파괴 전압값(V)으로 하였다. 얻어진 파괴 전압값(V)을 유전체막 두께로 나눈 수치를 절연 파괴 전압(Vbd)(V/㎛)으로 하였다. 표 2에는, n＝5의 평균값을 기재하였다. 아몰퍼스 SiN_X의 절연 파괴 전압이 500V/㎛ 내지 700V/㎛ 정도였지만, 최근부터 ESD 특성이 좋은 부품이 요구되고 있기 때문에, 절연 파괴 전압이 1250V/㎛ 이상을 양호로 하였다.

또한, 표 중의 ○는, (111) 배향의 기둥 형상 구조가 있는 경우이고, ×는 상기 구조를 포함하지 않는 경우를 의미하고 있다.

시료 No.1 내지 시료 No. 14

표 2로부터, NaCl형 결정 구조를 갖는 알칼리 토류 금속 산화물을 주성분으로 하는 유전체막으로서, 상기 유전체막은 면직 방향으로 (111) 배향한 기둥 형상 구조를 갖고, 상기 유전체막의 Cu-Kα X선 회절 차트에서, (111)의 회절 피크의 반치폭이 0.3°내지 2.0°인 시료 No.1 내지 시료 No. 14는, 800nm이란 박막으로 해도, 특성이 양호하며, Q값이 850 이상, 절연 파괴 전압이 1250V/㎛ 이상임을 확인할 수 있었다.

시료 No. 15 내지 시료 No. 35

표 2로부터, NaCl형 결정 구조를 갖는 알칼리 토류 금속 산화물을 주성분으로 하는 유전체막으로서, 상기 유전체막은 면직 방향으로 (111) 배향한 기둥 형상 구조를 갖고, 상기 유전체막의 Cu-Kα X선 회절 차트에서, (111)의 회절 피크의 반치폭이 0.3° 내지 2.0°이고, 부성분으로서 Ta, Nb, V, Hf, Zr, Ti, Zn 중 적어도 1종류의 원소를 포함하는 시료 No. 15 내지 No. 35는, 부성분을 포함하지 않는 시료 No. 1 내지 시료 No. 14보다도, 높은 절연 파괴 전압을 갖고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 주성분에 대하여 0mol%＜x≤20mol%의 범위로 부성분을 포함하는 시료 No. 15 내지 시료 No. 29는, 특히 특성이 양호하며, Q값이 1050 이상, 절연 파괴 전압이 1350V/㎛ 이상임을 확인할 수 있었다.

시료 No. 36 내지 시료 No. 47

표 2로부터, 비교예인 시료 No. 36 내지 시료 No. 39는 (111) 배향의 기둥 형상 구조를 구비하고 있지 않기 때문에, 박막화했을 때에 결정성이 저하되어 버려, Q값이 850 이하로 낮은 값이 되어 버린다. 비교예인 시료 No. 40 및 시료 No. 41은 (111) 배향의 기둥 형상 구조를 갖고 있는데, 반치폭이 0.2°였기 때문에, 절연 파괴 전압에 기여할 수 없고, 절연 파괴 전압이 1240V/㎛ 이하였다. 또한, 비교예인 시료 No. 42 및 시료 No. 43은 (111) 배향의 기둥 형상 구조를 갖고 있는데, 반치폭이 2.1°이고 절연 파괴 전압은 양호하였지만, 결정자 사이즈가 너무 작아지기 때문에, Q값이 850 이하가 되어 버렸다. 또한, 비교예인 시료 No. 44 내지 시료 No. 47은 (111) 배향의 기둥 형상 구조를 구비하고 있지 않고, 또한 반치폭이 본 발명의 범위 밖이므로, 높은 Q값과 높은 절연 파괴 전압을 유지할 수 없음을 확인할 수 있었다.

이상으로부터, NaCl형 결정 구조를 갖는 알칼리 토류 금속 산화물을 주성분으로 하는 유전체막에 있어서, 유전체막이 면직 방향으로 (111) 배향한 기둥 형상 구조를 갖고, 또한, 유전체막의 Cu-Kα X선 회절 차트에서, (111)의 회절 피크의 반치폭이 0.3° 내지 2.0°인 경우, 높은 비유전율과 높은 Q값 및 높은 절연 파괴 전압을 유지할 수 있음을 확인할 수 있었다.

다음으로, 본 발명의 특징을 갖는 유전체막이, 다양한 막 두께에서도 유효한 것을 확인한 실시예에 대하여 설명한다.

<실시예 2>

유전체막의 두께를 변경한 것 이외에는, 실시예 1의 시료 No. 29와 동일한 수법으로 시료를 제작하여, 실시예 1과 동일한 평가를 수행하였다. 결과를 표 3에 기재한다.

시료 No. 48 내지 시료 No. 50

표 3으로부터 유전체막의 막 두께가 달라도, NaCl형 결정 구조를 갖는 알칼리 토류 금속 산화물을 주성분으로 하는 유전체막으로서, 상기 유전체막은 면직 방향으로 (111) 배향한 기둥 형상 구조를 갖고, 상기 유전체막의 Cu-Kα X선 회절 차트에서, (111)의 회절 피크의 반치폭이 0.3° 내지 2.0°인 특징을 갖는 유전체막이면, 50nm까지 박막화해도 거의 동일한 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 본 발명의 특징을 갖는 유전체막이면, 박막화해도 특성의 저하가 거의 없고, 높은 비유전율과 높은 Q값 및 높은 절연 파괴 전압을 갖는 것을 확인할 수 있었다.

이상으로 설명한 바와 같이, 본 발명은, 유전체막 및 전자 부품에 관한 것으로, 본 발명은 높은 비유전율과 높은 Q값, 및 높은 절연 파괴 전압을 갖는 유전체막 및 그 유전체막을 사용한 전자 부품을 제공한다. 이로써, 유전체막을 사용하는 전자 부품에 있어서, 소형화, 고기능화를 도모할 수 있다. 본 발명은, 예를 들어, 유전체막을 사용하는, 다이플렉서나 밴드 패스 필터 등 박막 고주파 부품 등에 대하여 널리 신기술을 제공하는 것이다.

1… 지지 기판
2… 하지층
3… 하부 전극
4… 상부 전극
5… 유전체막
6… 결정자
10… 박막 콘덴서

Claims

NaCl형 결정 구조를 갖는 알칼리 토류 금속 산화물을 주성분으로 하는 유전체막에 있어서,
상기 유전체막은 면직(面直) 방향으로 (111) 배향한 기둥 형상 구조를 갖고,
상기 유전체막의 Cu-Kα X선 회절 차트에서, (111)의 회절 피크의 반치폭(半値幅)이 0.3°내지 2.0°인 것을 특징으로 하는 유전체막.
제 1 항에 있어서, 상기 유전체막은 부성분으로서 Ta, Nb, V, Hf, Zr, Ti, Zn 중 적어도 1종류의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체막.
제 2 항에 있어서, 상기 부성분의 총 함유량을 x로 하면, 상기 x는 상기 주성분에 대하여 0mol%＜x≤20mol%의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 유전체막.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 유전체막을 갖는 전자 부품.