JP2003218227A

JP2003218227A - 高誘電体薄膜コンデンサ及びその製造方法

Info

Publication number: JP2003218227A
Application number: JP2002328060A
Authority: JP
Inventors: Naoki Obara; 直樹小原; Tasuke Sawada; 太助沢田; Masatoshi Kitagawa; 雅俊北川; Takeshi Uenoyama; 雄上野山
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2003-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】誘電率が大きく、リーク電流の小さな絶縁耐
圧に優れたコンデンサを提供する。【解決手段】高誘電体薄膜の上下面に上部電極及び下
部電極を形成した高誘電体薄膜コンデンサの製造方法で
あって、ペロブスカイト構造を有する高誘電体薄膜の配
向性が（１１１）面に優先配向し、かつ高誘電体薄膜の
上部電極及び下部電極が面心立方晶構造をもち、電極薄
膜の配向性が（１１１）面に優先配向するように形成す
るとともに、前記高誘電体薄膜の形成温度が３００度を
上限とするように設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高誘電体薄膜を用
いた薄膜コンデンサに関し、特にチップコンデンサと称
する小型かつ軽量なコンデンサを用いた携帯電話や携帯
情報端末等の電子機器に応用できるものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、携帯電話等の電子機器の小型化、
薄型化が要求されている。電子機器はＩＣやコンデンサ
などの電子部品が実装された回路基板等から構成され、
使用される電子部品、回路基板にも薄型化が要求されて
いる。小型かつ薄型なコンデンサを実現するために、ガ
ラスやセラミック、金属箔、あるいは有機高分子フィル
ムなどの小型、軽量、低コストな基体の上に、電極薄膜
と高誘電体薄膜との積層構造からなる小型、軽量コンデ
ンサが提供されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記、電極薄膜上に高
誘電体薄膜を形成する際、高誘電体薄膜は成膜条件によ
りランダムな方位に配向し、基体の影響を受けない場
合、主に（１１０）面、（１１１）面、（２００）面に
優先的に配向する。しかし、（１１１）面以外に配向し
た高誘電体薄膜は（１１１）面に配向した高誘電体薄膜
よりも誘電分極が小さくなる結果、誘電率が低くなって
しまう。さらに、（１１１）面以外に配向すると表面の
凹凸が大きくなると共に、結晶粒界も粗な膜が形成され
てしまう。

【０００４】このような表面の凹凸や粗な結晶粒界は電
極薄膜との接触状態を劣悪なものとし、結晶粒界や電極
との界面でのキャリアの再結合が支配的となる結果、リ
ーク電流が増大してしまい、絶縁耐圧の低いコンデンサ
となってしまう。

【０００５】本発明は、ペロブスカイト構造を有する高
誘電体薄膜が（１１１）面に優先配向することにより大
きな誘電率を有し、しかもフラットな表面形態となり、
結晶粒界が緻密な高誘電体薄膜を提供することにより、
誘電率が大きく、しかも絶縁耐圧に優れた高品質かつ高
信頼性を有する高誘電体薄膜コンデンサを提供すること
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、高誘電体薄膜の上下面に上部電極及び下
部電極を形成した高誘電体薄膜コンデンサの製造方法で
あって、ペロブスカイト構造を有する高誘電体薄膜の配
向性が（１１１）面に優先配向し、かつ高誘電体薄膜の
上部電極及び下部電極が面心立方晶構造をもち、電極薄
膜の配向性が（１１１）面に優先配向するように形成す
るとともに、前記高誘電体薄膜の形成温度が３００度を
上限とするように設定したものである。これにより高誘
電体薄膜の誘電分極が大きくなる結果、誘電率が大きく
なる。さらに、フラットな表面形態となり、結晶粒界が
緻密な高誘電体薄膜を提供することが可能となり、リー
ク電流の小さな絶縁耐圧に優れたコンデンサを提供する
ことが可能である。

【０００７】また、高誘電体薄膜の下部電極が面心立方
晶構造をもち、電極薄膜の配向性が（１１１）面に優先
配向しているので、下部電極上に形成した高誘電体薄膜
の格子整合が可能となり、接合界面における欠陥準位密
度の低い高誘電体薄膜と電極薄膜との接合が可能とな
る。

【０００８】その結果、誘電率が大きく、リーク電流の
小さな絶縁耐圧に優れたコンデンサを提供することが可
能である。

【０００９】また前記コンデンサにおいては、高誘電体
薄膜の上部電極が面心立方晶構造をもち、電極薄膜の配
向性が（１１１）面に優先配向しているので、上部電極
下に形成した高誘電体薄膜の格子整合が可能となり、接
合界面における欠陥準位密度の低い高誘電体薄膜と電極
薄膜との接合が可能となる。その結果、誘電率が大き
く、リーク電流の小さな絶縁耐圧に優れたコンデンサを
提供することが可能である。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態では、高誘電体
薄膜の上下面に上部電極及び下部電極を形成した高誘電
体薄膜コンデンサであって、ペロブスカイト構造を有す
る高誘電体薄膜の配向性が（１１１）面に優先配向し、
かつ高誘電体薄膜の上部電極及び下部電極が面心立方晶
構造をもち、電極薄膜の配向性が（１１１）面に優先配
向していることを特徴とするものであり、これにより高
誘電体薄膜の誘電分極が大きくなる結果、誘電率が大き
くなる。さらに、フラットな表面形態となり、結晶粒界
が緻密な高誘電体薄膜を提供することが可能となり、リ
ーク電流の小さな絶縁耐圧に優れたコンデンサを提供す
ることが可能である。

【００１１】また、高誘電体薄膜の下部電極が面心立方
晶構造をもち、電極薄膜の配向性が（１１１）面に優先
配向しているので、下部電極上に形成した高誘電体薄膜
の格子整合が可能となり、接合界面における欠陥準位密
度の低い高誘電体薄膜と電極薄膜との接合が可能とな
る。

【００１２】その結果、誘電率が大きく、リーク電流の
小さな絶縁耐圧に優れたコンデンサを提供することが可
能である。

【００１３】また前記コンデンサにおいては、高誘電体
薄膜の上部電極が面心立方晶構造をもち、電極薄膜の配
向性が（１１１）面に優先配向しているので、上部電極
下に形成した高誘電体薄膜の格子整合が可能となり、接
合界面における欠陥準位密度の低い高誘電体薄膜と電極
薄膜との接合が可能となる。その結果、誘電率が大き
く、リーク電流の小さな絶縁耐圧に優れたコンデンサを
提供することが可能である。

【００１４】また前記コンデンサにおいては、高誘電体
薄膜と電極薄膜の格子の不整合が５％を上限とすること
を特徴とする。これにより、上下電極と高誘電体薄膜の
格子不整合が小さくなり、接合界面における欠陥準位密
度の低い高誘電体薄膜と電極薄膜との接合が可能とな
る。その結果、誘電率が大きく、リーク電流の小さな絶
縁耐圧に優れたコンデンサを提供することが可能であ
る。

【００１５】また前記コンデンサにおいては、高誘電体
薄膜の格子定数が電極薄膜の格子定数よりも大きいこと
を特徴とする。これにより高誘電体薄膜には圧縮の面内
応力が加わることになり、さらに大きな誘電分極を生じ
ることにより誘電率が大きく、しかもリーク電流の小さ
な絶縁耐圧に優れたコンデンサを提供することが可能で
ある。

【００１６】また前記コンデンサにおいては、基体が無
定形構造あるいは結晶構造をもち、高誘電体薄膜及び電
極薄膜の配向性に影響を及ぼさないことを特徴とする。
これにより、基体上に形成した電極薄膜が面心立方晶の
細密充填面である（１１１）面が基体と平行に配向する
ことになり、上下電極と高誘電体薄膜の格子整合が可能
となり、接合界面における欠陥準位密度の低い高誘電体
薄膜と電極薄膜との接合が可能となる。その結果、誘電
率が大きく、リーク電流の小さな絶縁耐圧に優れたコン
デンサを提供することが可能である。

【００１７】また前記コンデンサにおいては、基体がガ
ラス、セラミック、金属箔、有機高分子体、半導体基体
からなる群より選択される少なくとも１つの物質である
ことが好ましい。これにより基体上に形成する電極薄膜
は（１１１）面に優先配向することになり、誘電率が大
きく、リーク電流の小さな絶縁耐圧に優れたコンデンサ
を提供することが可能である。

【００１８】また前記コンデンサにおいては、高誘電体
薄膜がＳｒＴｉＯ₃、ＢａＴｉＯ₃及びＰｂＴｉＯ₃から
なる群より選択される少なくとも１つの物質であること
が好ましい。これにより誘電率が大きく、しかもリーク
電流の小さな絶縁耐圧に優れたコンデンサを提供するこ
とが可能である。

【００１９】また前記コンデンサにおいては、電極薄膜
がＰｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｒｕ及
びＩｒからなる群より選択される少なくとも１つの物質
であることが好ましい。これにより高誘電体薄膜との格
子不整合が小さくなる結果、誘電率が大きく、リーク電
流の小さな絶縁耐圧に優れたコンデンサを提供すること
が可能である。

【００２０】次に、本発明の実施形態である高誘電体薄
膜コンデンサの製造方法は、ペロブスカイト構造を有す
る高誘電体薄膜の配向性が（１１１）面に優先配向した
高誘電体薄膜を形成するための高誘電体薄膜コンデンサ
の製造方法である。

【００２１】前記方法においては、高誘電体薄膜の形成
法としてＲＦマグネトロンスパッタ法、ＥＣＲマグネト
ロンスパッタ法からなる群より選択される手段を用いる
ことが好ましい。これにより高い比誘電率を示す高誘電
体薄膜の形成が可能となり誘電率が大きく、しかもリー
ク電流の小さな絶縁耐圧に優れたコンデンサを提供する
ことが可能である。

【００２２】また前記方法においては、ＲＦマグネトロ
ンスパッタ法、ＥＣＲマグネトロンスパッタ法での成膜
圧力が３×１０^-3Ｔｏｒｒを上限とすることが好まし
い。これにより、（１１１）面に優先配向した高誘電体
薄膜を形成することが可能となり、誘電率が大きく、リ
ーク電流の小さな絶縁耐圧に優れたコンデンサを提供す
ることが可能である。

【００２３】また前記方法においては、高誘電体薄膜の
形成温度が３００℃を上限とすることが好ましい。これ
により酸化が起こりやすいＡｌやＣｕ、Ｎｉを電極材料
として適用するが可能となり、低コストかつ誘電率が大
きく、リーク電流の小さな絶縁耐圧に優れたコンデンサ
を提供することが可能である。

【００２４】また前記方法においては、高誘電体薄膜の
堆積速度が毎分１０ｎｍを下限とすることが好ましい。
これにより高誘電体薄膜形成の時間が短縮される結果、
製造のスループット向上が可能となり、低コストかつ誘
電率が大きく、リーク電流の小さな絶縁耐圧に優れたコ
ンデンサを提供することが可能である。

【００２５】また前記方法においては、電極薄膜の堆積
速度が毎分１０ｎｍを下限とすることが好ましい。これ
により電極薄膜形成の時間が短縮される結果、製造のス
ループット向上が可能となり、低コストかつ誘電率が大
きく、リーク電流の小さな絶縁耐圧に優れたコンデンサ
を提供することが可能である。

【００２６】次に、本発明の実施形態の高誘電体薄膜コ
ンデンサの製造方法は、高誘電体薄膜の下部および上部
電極が面心立方晶構造をもち、電極薄膜の配向性が（１
１１）面に優先配向した電極薄膜を形成するための高誘
電体薄膜コンデンサの製造方法である。

【００２７】前記方法においては、電極薄膜の形成法と
してＤＣマグネトロンスパッタ法、ＲＦマグネトロンス
パッタ法、ＥＣＲマグネトロンスパッタ法、真空蒸着法
及びＣＶＤ法からなる群より選択される手段を用いるこ
とが好ましい。これにより、容易に電極薄膜の配向性が
（１１１）面に優先配向した電極薄膜を形成することが
可能となり、誘電率が大きく、リーク電流の小さな絶縁
耐圧に優れたコンデンサを提供することが可能である。

【００２８】また前記方法においては、電極薄膜の堆積
速度が毎分１０ｎｍを下限とすることが好ましい。これ
により電極薄膜形成の時間が短縮される結果、製造のス
ループット向上が可能となり、低コストかつ誘電率が大
きく、リーク電流の小さな絶縁耐圧に優れたコンデンサ
を提供することが可能である。

【００２９】本発明により製造される高誘電体薄膜コン
デンサとは、ペロブスカイト構造を有する高誘電体薄膜
が（１１１）面に優先配向することにより誘電分極が大
きく、さらにフラットな表面形態となり、結晶粒界が緻
密な高誘電体薄膜となり、誘電率が大きく、絶縁耐圧に
優れた高品質かつ高信頼性を有する高誘電体薄膜コンデ
ンサである。すなわち、本高誘電体薄膜コンデンサを用
いることによりチップコンデンサとして小型かつ軽量な
電子機器に搭載することが可能となり、平滑用、同調用
やデカップリング用などのフレキシブルな低容量から高
容量までのチップコンデンサとして使用することができ
る。

【００３０】以下、本発明を実施例を用いて図面を参照
してさらに詳しく説明する。

【００３１】（実施の形態１）第１の実施の形態におけ
る高誘電体薄膜コンデンサの構成を図１に示す。

【００３２】図１において、１は基体、２は電極薄膜、
３は高誘電体薄膜である。基体として硼珪酸ガラスを用
い、電極薄膜にはＰｔ、高誘電体薄膜にＳｒＴｉＯ₃を
用いた。

【００３３】ガラス基体上にＤＣマグネトロンスパッタ
法を用いて電極のＰｔ薄膜を形成後、ＲＦマグネトロン
スパッタ法によりＳｒＴｉＯ₃薄膜を形成した。引き続
き電極のＰｔ薄膜をＤＣマグネトロンスパッタ法により
形成し、高誘電体薄膜コンデンサとした。上記試料にお
いてコンデンサ特性を確認することができた。

【００３４】高誘電体薄膜としては、高い比誘電率が得
られるようなＳｒＴｉＯ₃、ＢａＴｉＯ₃、ＰｂＴｉ
Ｏ₃、およびそれらの固溶体からなる群より選択される
少なくとも１つの物質であることが好ましい。

【００３５】高誘電体薄膜の形成法としては、ＲＦマグ
ネトロンスパッタ法、ＥＣＲマグネトロンスパッタ法を
用いることが好ましい。

【００３６】高誘電体薄膜の堆積速度としては、毎分１
０ｎｍを下限とすることが好ましい。

【００３７】電極薄膜としては、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃ
ｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｒｕ及びＩｒからなる群より選
択される少なくとも１つの物質であることが好ましい。

【００３８】また、高誘電体薄膜の形成温度が３００℃
以下であることが好ましい。

【００３９】電極薄膜の形成法としては、ＤＣマグネト
ロンスパッタ法、ＲＦマグネトロンスパッタ法、ＥＣＲ
マグネトロンスパッタ法、真空蒸着法、ＣＶＤ法を用い
ることが好ましい。

【００４０】電極薄膜の堆積速度としては、毎分１０ｎ
ｍを下限とすることが好ましい。

【００４１】

【実施例】以下本発明の具体的実施例について説明す
る。

【００４２】（実施例１）第１の実施例として、図１の
高誘電体薄膜コンデンサにおいて、厚さ０．５ｍｍのガ
ラス基体上に、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いてＰ
ｔ下部電極を形成した。電極薄膜のスパッタ条件は１０
^-6Ｔｏｒｒ台の高真空チャンバー内においてＡｒ雰囲気
中、ＤＣ電力２００Ｗ、成膜圧力８×１０^-3Ｔｏｒｒ、
基体温度２５℃の条件で行った。膜厚は約１０００Å、
蒸着レートは約１００Å／ｍｉｎであった。なお、電極
形状はメタルマスクを用いて５ｍｍ角の大きさに形成さ
れている。下部電極形成後、ＳｒＴｉＯ₃の高誘電体薄
膜の形成を行った。ＳｒＴｉＯ₃薄膜のスパッタ条件は
１０^-6Ｔｏｒｒ台の高真空チャンバー内においてＡｒ／
Ｏ₂＝２／１の混合雰囲気中において、ＲＦ電力８００
Ｗ、基体温度３００℃の条件で行った。成膜圧力は２×
１０^-3Ｔｏｒｒと８×１０^-3Ｔｏｒｒの２条件で形成し
た。ＳｒＴｉＯ₃薄膜の膜厚は約３０００Å、膜堆積速
度はともに約３００Å／ｍｉｎあった。Ｐｔ下部電極上
のＳｒＴｉＯ₃薄膜の表面積は４×４ｍｍであった。Ｓ
ｒＴｉＯ₃薄膜形成後、上部電極として再びＰｔ電極の
形成を行った。上部電極の形成条件は、下部電極と同一
条件である。電極間に挟まれたＳｒＴｉＯ₃薄膜の表面
積は３×３ｍｍであった。

【００４３】上記、２種類のＰｔ／ＳｒＴｉＯ₃／Ｐｔ
構造積層膜のＸ線回折（ＸＲＤ）を用いて分析した結晶
の配向性を図２に示す。Ｘ線回折パターンから、成膜圧
力を２×１０^-3Ｔｏｒｒとして形成したＳｒＴｉＯ₃薄
膜は（１１１）面に優先配向し、８×１０^-3Ｔｏｒｒで
形成したピークがＳｒＴｉＯ₃薄膜は（１１０）面に優
先配向していることがわかる。

【００４４】上記、２種類のＰｔ／ＳｒＴｉＯ₃／Ｐｔ
構造積層膜のＳｒＴｉＯ₃薄膜表面の走査型電子顕微鏡
（ＳＥＭ）を用いて分析した表面形態を図３に示す。Ｘ
ＲＤの結果と合わせると、（１１１）面に優先配向した
ＳｒＴｉＯ₃薄膜は表面の凹凸が小さく、結晶粒界も緻
密であることが分かる。これに対し（１１０）面に優先
配向したＳｒＴｉＯ₃薄膜は表面の凹凸が大きく、結晶
粒界も粗であることがわかる。

【００４５】上記、２種類の高誘電体薄膜コンデンサを
用いてコンデンサ特性を評価した結果を表１に示す。な
お、測定周波数は１ｋＨｚである。またリーク電流測定
時の電圧は下部電極に＋５Ｖを印加している。

【００４６】

【表１】

【００４７】（表１）からわかるように、２×１０^-3Ｔ
ｏｒｒで成膜したＳｒＴｉＯ₃薄膜は誘電率が８０で、
２．６×１０^-7ｍＡ／ｃｍ²の電流密度であったのに対
し、８×１０^-3Ｔｏｒｒで成膜したＳｒＴｉＯ₃薄膜は
誘電率が６０で、５．３×１０^-5ｍＡ／ｃｍ²の電流密
度であった。

【００４８】これらの誘電率の違いは、ＳｒＴｉＯ₃が
（１１１）面に優先配向したことにより誘電分極が大き
くなったことを反映して誘電率が大きくなったものであ
る。また、電流密度の違いは、ＳｒＴｉＯ₃薄膜の配向
性の違いを反映した結果であり、（１１０）面に配向し
たＳｒＴｉＯ₃薄膜はＳＥＭで観察された表面の凹凸お
よび粗な結晶粒界によりＰｔとの接合状態が悪くなり、
ＳｒＴｉＯ₃／Ｐｔ接合界面での欠陥準位が増大したこ
とによりリーク電流が大きくなったものである。ｔａｎ
δについても同様の現象が確認されている。また、誘電
率に関しては、成膜圧力が高真空になるほど高くなる結
果を示した。これは高真空成膜により高誘電体薄膜が
（１１１）面により優先的に配向して誘電分極が大きく
なり、それに伴い誘電率が向上した結果である。なお、
成膜圧力としては（１１１）面への優先配向性を示す６
×１０^-3Ｔｏｒｒよりも低い圧力で成膜することが好ま
しい。

【００４９】従って、ペロブスカイト構造高誘電体薄膜
が（１１１）に優先配向することにより誘電率が大き
く、しかも表面の凹凸が小さく結晶粒界も緻密となり、
電極薄膜との接合も良好となる結果、リーク電流の小さ
な絶縁耐圧に優れたコンデンサを提供することが可能で
ある。

【００５０】（実施例２）第２の実施例として、実施例
１で使用した（１１１）面に優先配向したＳｒＴｉＯ₃
薄膜を用いて、電極材料に体心立方晶の結晶構造を有す
るＣｒを用いて同様の実験を行った。それ以外は実施例
１とすべて同一条件である。

【００５１】上記、２種類のＰｔ／ＳｒＴｉＯ₃／Ｐｔ
構造積層膜およびＣｒ／ＳｒＴｉＯ₃／Ｃｒ構造積層膜
のＸ線回折（ＸＲＤ）を用いて分析した結晶の配向性を
図４に示す。Ｘ線回折パターンから、Ｐｔは面心立方晶
構造を有することから、細密充填面である（１１１）面
に優先配向している。一方、Ｃｒは体心立方晶構造を有
することから、細密充填面である（１１０）面に優先配
向していることがわかる。

【００５２】表２にそれぞれの高誘電体薄膜コンデンサ
の特性を示す。

【００５３】

【表２】

【００５４】実験の結果、ＳｒＴｉＯ₃薄膜は共に（１
１１）面に優先配向していたため、誘電率に大きな違い
はなかった。しかし、面心立方晶の結晶構造を有するＰ
ｔ電極では２．６×１０^-7ｍＡ／ｃｍ²の電流密度であ
ったのに対し、体心立方晶の結晶構造を有するＣｒ電極
では８．２×１０^-5ｍＡ／ｃｍ²の電流密度であった。
ＳｒＴｉＯ₃薄膜は（１１１）面に優先配向しているた
め凹凸が小さく、結晶粒界も密であるのに、これらの電
流密度に違いが生じたのは、電極材料の結晶構造および
配向性の違いを反映した結果である。図５にＳｒＴｉＯ
₃およびＰｔ、Ｃｒの結晶構造を示す。ＳｒＴｉＯ₃はＳ
ｒの立方晶結晶格子中の面心位置にＯ、体心位置にＴｉ
が占有している。ＳｒＴｉＯ₃薄膜が（１１１）面に配
向すると、Ｓｒで囲まれた（１１１）面が基体に平行に
なるように配向する。これに対して電極材料において
は、Ｐｔは面心立方晶の結晶構造をもち、細密充填面で
ある（１１１）面が基体と平行になるように配向する。
一方、Ｃｒは体心立方晶の結晶構造をもち、細密充填面
である（１１０）面が基体と平行になるように配向す
る。

【００５５】さらに、それぞれの格子定数はＳｒＴｉＯ
₃はａ＝３．９１Å、Ｐｔは３．９２４Å、Ｃｒは２．
８８５Åである。従って、Ｐｔ（１１１）面上にＳｒＴ
ｉＯ ₃（１１１）面が成長すると格子不整合は０．４％
となり、小さな格子不整合で成長する。一方、Ｃｒ（１
１０）面上にＳｒＴｉＯ₃（１１１）面が成長すると格
子不整合は９．６となり、大きな格子不整合で成長する
ことになる。その結果、格子不整合の小さなＰｔ／Ｓｒ
ＴｉＯ₃接合では界面状態が良好となり、欠陥準位が低
減する結果、リーク電流が小さくなる。一方、格子不整
合の大きなＣｒ／ＳｒＴｉＯ₃接合では界面状態が劣悪
となり、欠陥準位が増大する結果、リーク電流が大きく
なる。

【００５６】なお、Ｃｒ電極上にＳｒＴｉＯ₃薄膜を８
×１０^-3Ｔｏｒｒの成膜圧力で形成することによりＳｒ
ＴｉＯ₃（１１０）面優先配向／Ｃｒ（１１０）面配向
の積層膜を形成したが、この場合は格子不整合は２６．
２％となり、さらに界面状態が劣悪になり欠陥準位が増
大する結果、電流密度は５．４×１０^-3ｍＡ／ｃｍ²と
大きなリーク電流となった。さらに、実施例１で確認さ
れた（１１０）面に配向したＳｒＴｉＯ₃薄膜の大きな
凹凸と粗な結晶粒界も大きなリーク電流に影響してい
る。

【００５７】さらに、ｔａｎδについても電流密度同様
の傾向が確認されている。

【００５８】従って、（１１１）面に優先配向した高誘
電体薄膜の下部及び上部の電極薄膜が面心立方晶構造を
もち、電極薄膜の配向性が（１１１）面に優先配向して
いることにより、下部電極と上部電極間に形成した高誘
電体薄膜の格子整合が可能となり、接合界面における欠
陥準位密度の低い高誘電体薄膜と電極薄膜との接合が可
能となる。その結果、誘電率が大きく、しかもリーク電
流の小さな絶縁耐圧に優れたコンデンサを提供すること
が可能である。

【００５９】なお、高誘電体薄膜と電極薄膜の格子の不
整合は５％を上限とすることが望ましい。格子不整合が
５％を越えるとリーク電流が大きくなり、絶縁耐圧特性
が劣化する。

【００６０】（実施例３）第３の実施例として、実施例
１で使用した（１１１）面に優先配向したＳｒＴｉＯ₃
薄膜を用いて、電極材料に格子不整合の小さなＰｔとそ
れよりもやや格子不整合の大きいＡｌＮｉ合金電極を用
いて同様の実験を行った。それ以外は実施例１とすべて
同一条件である。なお、ＡｌＮｉ合金はＡｌ：Ｎｉ＝５
５：４５で、ＸＲＤによる精密格子定数測定の結果、格
子定数はａ＝３．８５Åであった。なお、ＸＲＤ分析に
よりＳｒＴｉＯ₃薄膜は（１１１）面に配向しているこ
とを確認している。

【００６１】表３にそれぞれの高誘電体薄膜コンデンサ
の特性を示す。

【００６２】

【表３】

【００６３】実験の結果、Ｐｔ、ＡｌＮｉの両電極にお
いてｔａｎδ、電流密度共に大きな変化はなく、誘電率
は向上する結果が得られた。これはＳｒＴｉＯ₃薄膜よ
りも電極材料のＡｌＮｉの格子定数が小さくなったこと
によりＳｒＴｉＯ₃薄膜に面内圧縮応力が掛かったこと
により誘電分極が大きくなった結果を反映している。実
験結果は、（１１１）面に配向したＳｒＴｉＯ₃薄膜に
おいても面内圧縮応力が加わると誘電率が向上すること
を示している。

【００６４】従って、高誘電体薄膜の格子定数が電極薄
膜の格子定数よりも大きいことにより高誘電体薄膜には
圧縮の面内応力が加わることになり、大きな誘電分極を
生じることにより誘電率が大きく、しかもリーク電流の
小さな絶縁耐圧に優れたコンデンサを提供することが可
能である。

【００６５】なお、高誘電体薄膜と電極薄膜の格子の不
整合は５％を上限とすることが望ましい。格子不整合が
５％を越えるとリーク電流が大きくなり、絶縁耐圧特性
が劣化する。

【００６６】（実施例４）第４の実施例として、実施例
１で使用した（１１１）面に優先配向したＳｒＴｉＯ₃
薄膜を用いて、実施例１で使用したガラス基体の代わり
に厚さ１００μｍのステンレス箔を用いて用いて同様の
実験を行った。それ以外は実施例１とすべて同一条件で
ある。なお、ステンレス箔は導電性があることから上下
電極間でショートするため、ＳＵＳ表面にＴｉ（ＯＣ₂
Ｈ₅）₄の加水分解反応によるゾル-ゲル法を用いてＴｉ
Ｏ₂を形成した。ＴｉＯ₂の厚みは約５００Åである。な
お、ＸＲＤを用いて分析した結果、両積層膜ともに同様
の回折パターンを示した。

【００６７】表４にそれぞれの高誘電体薄膜コンデンサ
の特性を示す。

【００６８】

【表４】

【００６９】実験の結果、ガラス、ステンレス箔の両基
体において誘電率、ｔａｎδ、電流密度共に大きな変化
はなく、同等の特性が得られた。なお、基体材料として
ガラス以外にセラミック、金属箔、有機高分子体、シリ
コン（１００）基体、ＧａＡｓ（１００）基体を用いて
も同様の傾向を得ることができた。

【００７０】従って、基体が無定形構造あるいは結晶構
造をもち、高誘電体薄膜及び電極薄膜の配向性に影響を
及ぼさないことにより、基体上に形成した電極薄膜が面
心立方晶の細密充填面である（１１１）面が基体と平行
に配向することになり、さらにその上に形成した高誘電
体薄膜が（１１１）面に配向することにより上下電極と
高誘電体薄膜の格子整合が可能となり、接合界面におけ
る欠陥準位密度の低い高誘電体薄膜と電極薄膜との接合
が可能となる。その結果、誘電率が大きく、しかもリー
ク電流の小さな絶縁耐圧に優れたコンデンサを提供する
ことが可能である。

【００７１】（実施例５）第５の実施例として、実施例
１で使用したＳｒＴｉＯ₃の高誘電体薄膜の代わりにＢ
ａＴｉＯ₃、ＰｂＴｉＯ₃、および固溶体の（Ｂａ_0.2Ｓ
ｒ_0.8）ＴｉＯ₃と（Ｐｂ_0.1Ｓｒ_0.9）ＴｉＯ₃、比較例
としてＢｉＴｉＯ₃を用いて実施例１同様の実験を行っ
た。ＢａＴｉＯ₃、ＰｂＴｉＯ₃、（Ｂａ_0.2Ｓｒ_0.8）Ｔ
ｉＯ₃、（Ｐｂ_0.1Ｓｒ_0.9）ＴｉＯ₃、ＢｉＴｉＯ₃の形
成条件は実施例１と同様である。

【００７２】ＸＲＤを用いて分析した結果、それぞれの
高誘電体薄膜は２×１０^-3Ｔｏｒｒの成膜圧力で形成し
たところ、すべて（１１１）面に優先配向していた。

【００７３】表５にそれぞれの誘電体薄膜を用いて作製
したフレキシブル薄膜コンデンサの誘電率を示す。

【００７４】

【表５】

【００７５】実験の結果、ＢｉＴｉＯ₃を除いたすべて
の誘電体薄膜において高い誘電率と低いｔａｎδ、電流
密度を得ることができた。また、それぞれの高誘電体材
料において成膜圧力を８×１０^-3Ｔｏｒｒとして（１１
０）面に優先配向した高誘電体薄膜を形成してＰｔ電極
のコンデンサを作製したが、すべてのコンデンサは高誘
電体薄膜が（１１１）面に配向した方が大きな誘電率を
示した。

【００７６】従って、高誘電体薄膜がＳｒＴｉＯ₃、Ｂ
ａＴｉＯ₃及びＰｂＴｉＯ₃からなる群より選択される少
なくとも１つの物質であり、（１１１）面に優先配向す
ることにより誘電率が大きく、しかもリーク電流の小さ
な絶縁耐圧に優れたコンデンサを提供することが可能で
ある。

【００７７】（実施例６）第６の実施例として、実施例
１で使用した（１１１）面に優先配向したＳｒＴｉＯ₃
薄膜を用いて、実施例１で使用したＰｔの代わりに、Ａ
ｌを用いて同様の実験を行った。それ以外は実施例１と
すべて同一条件である。

【００７８】表６にそれぞれの高誘電体薄膜コンデンサ
の特性を示す。

【００７９】

【表６】

【００８０】実験の結果、Ａｌを用いてもＰｔとほぼ同
等の特性を得ることができた。なお、電極材料としては
Ｐｔ以外にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｒｕ
及びＩｒおよびこれらの合金を用いても同様の傾向を得
ることができた。これらの電極材料を使用することによ
り、高誘電体薄膜との格子不整合が小さくなる結果、リ
ーク電流の小さな絶縁耐圧に優れたコンデンサを提供す
ることが可能である。

【００８１】（実施例７）第７の実施例として、ＳｒＴ
ｉＯ₃薄膜の形成方法としてＥＣＲマグネトロンスパッ
タ法を用いた。ＥＣＲスパッタの条件として、１０^-6Ｔ
ｏｒｒ台の高真空チャンバー内においてＡｒ／Ｏ₂＝２
／１の混合雰囲気中において、ＲＦ電力６００Ｗ、マイ
クロ波電力４００Ｗ、基体温度３００℃の条件で行っ
た。成膜圧力は２×１０^-3Ｔｏｒｒで形成した。ＳｒＴ
ｉＯ₃薄膜の膜厚は約３０００Å、膜堆積速度は約３０
０Å／ｍｉｎあった。それ以外は実施例１とすべて同一
条件である。

【００８２】実験の結果、コンデンサ特性として実施例
１とほぼ同様の傾向を得ることができた。

【００８３】従って、高誘電体薄膜の形成法としてＲＦ
マグネトロンスパッタ法、ＥＣＲマグネトロンスパッタ
法からなる群より選択される手段を用いることにより高
い誘電率を示し、しかもリーク電流の小さな絶縁耐圧に
優れたコンデンサを提供することが可能である。

【００８４】（実施例８）第８の実施例として、実施例
１で使用した（１１１）面に優先配向したＳｒＴｉＯ₃
薄膜を用いて、高誘電体薄膜の形成温度として３００℃
と４００℃の２条件で実験を行った。なお、電極材料に
はＡｌを使用し、それ以外は実施例１とすべて同一条件
である。

【００８５】表７にそれぞれの高誘電体薄膜コンデンサ
の特性を示す。

【００８６】

【表７】

【００８７】基体温度が４００℃になるとすべてのコン
デンサ特性が劣化している。基体温度が高くなると電極
材料のＡｌの表面が酸化されることにより低誘電率層の
Ａｌ酸化膜が形成され、誘電率が低下し、ｔａｎδも大
きくなっている。また、Ａｌの酸化膜とＳｒＴｉＯ₃薄
膜との界面接合特性が劣悪となることによりリーク電流
も増加している。

【００８８】従って、高誘電体薄膜の形成温度が３００
℃を上限とすることにより酸化が起こりやすいＡｌやＣ
ｕ、Ｎｉを電極材料として適用するが可能となり、低コ
ストかつリーク電流の小さな絶縁耐圧に優れたコンデン
サを提供することが可能である。

【００８９】（実施例９）第９の実施例として、実施例
１で使用した（１１１）面に優先配向したＳｒＴｉＯ₃
薄膜を用いて、ＲＦ電力を増加させた時の高誘電体薄膜
の堆積速度の検討を行った。それ以外は実施例１とすべ
て同一条件である。

【００９０】実験の結果、ＲＦ電力の増加に伴い堆積速
度が直線的に増加した。堆積速度の増大に伴うＳｒＴｉ
Ｏ₃薄膜の配向性の変化は確認されなかった。また、コ
ンデンサの誘電率は、ＲＦ電力を増加させて堆積速度を
上げても極度に劣化することはなかった。また、リーク
電流も極度に増大することはなかった。蒸着速度の向上
はスループットの向上につながり、高誘電体薄膜コンデ
ンサの低価格化を実現できる。特性が劣化しなければよ
り速い堆積速度が好ましく、本実施例では誘電率の極度
の低下やリーク電流の増大は見られなかった。

【００９１】従って、実質的な高誘電体薄膜の形成速度
として１０ｎｍを下限とすることにより高誘電体薄膜形
成の時間が短縮される結果、製造のスループット向上が
可能となり、低コストかつ誘電率が大きく、リーク電流
の小さな絶縁耐圧に優れたコンデンサを提供することが
可能である。

【００９２】（実施例１０）第１０の実施例として、実
施例２で使用したＰｔ電極の形成方法としてＥＢ蒸着を
用いて同様の実験を行った。ＥＢ蒸着は１０^-6Ｔｏｒｒ
台の高真空チャンバー内において基体温度２５℃の条件
で行った。金属電極の形成以外は実施例２とすべて同一
条件である。

【００９３】ＸＲＤによる分析結果、Ｐｔは（１１１）
面に優先配向していることが確認された。また、コンデ
ンサ特性も実施例２のＰｔ電極を用いたコンデンサと同
等の特性が得られた。なお、金属電極の形成法としてＤ
Ｃマグネトロンスパッタ法、ＥＣＲマグネトロンスパッ
タ法、真空蒸着法、ＣＶＤ法を用いてもほぼ同様の効果
を得ることができるが、真空装置の自動化、連続化の観
点からＤＣマグネトロンスパッタ法、あるいはＲＦマグ
ネトロンスパッタ法を用いることが好ましい。

【００９４】従って、電極薄膜の形成法としてＤＣマグ
ネトロンスパッタ法、ＲＦマグネトロンスパッタ法、Ｅ
ＣＲマグネトロンスパッタ法、真空蒸着法及びＣＶＤ法
からなる群より選択される手段を用いることにより、容
易に電極薄膜の配向性が（１１１）面に優先配向した電
極薄膜を形成することが可能となり、誘電率が大きく、
リーク電流の小さな絶縁耐圧に優れたコンデンサを提供
することが可能である。

【００９５】（実施例１１）第１１の実施例として、実
施例１で使用した（１１１）面に優先配向したＳｒＴｉ
Ｏ₃薄膜を用いて、ＤＣ電力を増加させた時の電極薄膜
の堆積速度の検討を行った。それ以外は実施例１とすべ
て同一条件である。

【００９６】実験の結果、ＤＣ電力の増加に伴い堆積速
度が直線的に増加した。堆積速度の増大に伴うＰｔ薄膜
の配向性の変化は確認されなかった。また、コンデンサ
の誘電率は、ＤＣ電力を増加させて堆積速度を上げても
極度に劣化することはなかった。リーク電流も極度に増
大することはなかった。堆積速度の向上はスループット
の向上につながり、高誘電体薄膜コンデンサの低価格化
を実現できる。特性が劣化しなければより速い堆積速度
が好ましく、本実施例では誘電率の極度の低下やリーク
電流の増大は見られなかった。

【００９７】従って、実質的な電極薄膜の形成速度とし
て１０ｎｍを下限とすることにより電極薄膜形成の時間
が短縮される結果、製造のスループット向上が可能とな
り、低コストかつ誘電率が大きく、リーク電流の小さな
絶縁耐圧に優れたコンデンサを提供することが可能であ
る。

【００９８】

【発明の効果】前記した本発明方法によれば、高誘電体
薄膜の上下面に上部電極及び下部電極を形成した高誘電
体薄膜コンデンサの製造方法であって、ペロブスカイト
構造を有する高誘電体薄膜の配向性が（１１１）面に優
先配向し、かつ高誘電体薄膜の上部電極及び下部電極が
面心立方晶構造をもち、電極薄膜の配向性が（１１１）
面に優先配向するように形成するとともに、前記高誘電
体薄膜の形成温度が３００度を上限とするように設定す
ることにより誘電率が大きく、リーク電流の小さな絶縁
耐圧に優れたコンデンサを提供することができる。

【００９９】また、本発明の製造方法は、前記高誘電体
薄膜コンデンサを効率よく合理的に製造することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１及び実施例１〜１１の高
誘電体薄膜コンデンサを示す断面図

【図２】本発明の実施例１のＰｔ／ＳｒＴｉＯ₃／Ｐｔ
構造積層膜のＸ線回折パターンを示す図

【図３】本発明の実施例１のＳｒＴｉＯ₃薄膜の表面形
態を示す図

【図４】本発明の実施例２のＰｔ／ＳｒＴｉＯ₃／Ｐｔ
構造積層膜およびＣｒ／ＳｒＴｉＯ₃／Ｃｒ構造積層膜
のＸ線回折パターンを示す図

【図５】本発明の実施例２のＳｒＴｉＯ₃およびＰｔ、
Ｃｒの結晶構造を示す図

【符号の説明】

１基体２電極薄膜３高誘電体薄膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者北川雅俊大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者上野山雄大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5F038 AC05 AC15 AC18 AC19 EZ20 5F058 BA11 BC03 BF12 BJ04 5F083 FR01 GA06 GA24 GA27 JA14 JA15 JA36 JA37 JA38 PR21 PR22

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高誘電体薄膜の上下面に上部電極及び下
部電極を形成した高誘電体薄膜コンデンサの製造方法で
あって、ペロブスカイト構造を有する高誘電体薄膜の配
向性が（１１１）面に優先配向し、かつ高誘電体薄膜の
上部電極及び下部電極が面心立方晶構造をもち、電極薄
膜の配向性が（１１１）面に優先配向するように形成す
るとともに、前記高誘電体薄膜の形成温度が３００度を
上限とするように設定した高誘電体薄膜コンデンサの製
造方法。
【請求項２】ペロブスカイト構造を有する高誘電体薄
膜の配向性が（１１１）面に優先配向し、かつ高誘電体
薄膜の上部電極及び下部電極が面心立方晶構造をもち、
電極薄膜の配向性が（１１１）面に優先配向するように
形成するように基体上に下部電極、高誘電体薄膜、上部
電極を順に層状に形成するとともに、前記高誘電体薄膜
の形成温度が３００度を上限とするように設定した高誘
電体薄膜コンデンサの製造方法。
【請求項３】高誘電体薄膜の上下面に上部電極及び下
部電極を形成した高誘電体薄膜コンデンサであって、ペ
ロブスカイト構造を有する高誘電体薄膜の配向性が（１
１１）面に優先配向し、かつ高誘電体薄膜の上部電極及
び下部電極が面心立方晶構造をもち、電極薄膜の配向性
が（１１１）面に優先配向するとともに高誘電体コンデ
ンサの下部電極は基体上に形成されており、前記高誘電
体薄膜の形成温度が３００度を上限とするように設定さ
れ、前記基体が無定形構造あるいは結晶構造をもち、高
誘電体薄膜及び電極薄膜の配向性に影響を及ぼさないこ
とを特徴とする高誘電体薄膜コンデンサ。
【請求項４】高誘電体薄膜と電極薄膜の格子の不整合
が５％を上限とすることを特徴とする請求項３に記載の
高誘電体薄膜コンデンサ。
【請求項５】高誘電体薄膜の格子定数が電極薄膜の格
子定数よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の
高誘電体薄膜コンデンサ。
【請求項６】高誘電体コンデンサの下部電極は基体上
に形成されており、前記基体が無定形構造あるいは結晶
構造をもち、高誘電体薄膜及び電極薄膜の配向性に影響
を及ぼさないことを特徴とする請求項３に記載の高誘電
体薄膜コンデンサ。
【請求項７】基体がガラス、セラミック、金属箔、有
機高分子体、半導体結晶からなる群より選択される少な
くとも１つの物質であることを特徴とする請求項３に記
載の高誘電体薄膜コンデンサ。
【請求項８】高誘電体薄膜がＳｒＴｉＯ₃、ＢａＴｉ
Ｏ₃及びＰｂＴｉＯ₃からなる群より選択される少なくと
も１つの物質である請求項３に記載の高誘電体薄膜コン
デンサ。
【請求項９】電極薄膜がＰｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎ
ｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｒｕ及びＩｒからなる群より選択され
る少なくとも１つの物質である請求項３に記載の高誘電
体薄膜コンデンサ。