JP3362709B2 - 高誘電体薄膜コンデンサ - Google Patents

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、チップコンデンサやメモリ
素子として小型かつ軽量な電子機器に用いるものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、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。あるいはＩＣ基板上に直接高誘電体薄膜を
堆積し、メモリ素子としてモノリシックな集積回路が構
成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記、高誘電体薄膜と
接触する金属電極には、高誘電体薄膜を真空槽内で形成
するときの雰囲気に酸素を含有することから、耐酸化性
の強いＰｔやＲｕ、Ｉｒなどが一般に用いられる。ま
た、ＰｔやＲｕ、Ｉｒはペロブスカイト型高誘電体薄膜
の結晶構造の骨組みが類似し、格子定数も近いことか
ら、両者間での格子不整合が小さい。その結果、未結合
手が低減されることにより接合界面準位が少なくなり、
コンデンサに電荷を蓄えた際の漏れ電流が小さくなる特
長がある。しかし、ＰｔやＲｕ、Ｉｒは貴金属元素であ
ることから、製造コストが高くなるといった問題点を有
していた。

【０００４】本発明は、コンデンサの電極材料として安
価な金属材料が適応された高誘電体薄膜コンデンサとそ
の製造方法を提供することにより、製造コストが安く、
かつ貴金属元素を金属電極に用いたコンデンサと同等の
誘電率を示し、かつ漏れ電流の小さな高品質かつ高信頼
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。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の高誘電体薄膜コンデンサは、基体上の少な
くとも片面に金属電極膜と高誘電体薄膜とを層状に積層
する高誘電体薄膜コンデンサであって、前記高誘電体薄
膜の形成温度の基体温度は４００℃を上限とし、かつ前
記金属電極膜として少なくともＡｌとＡｌ以外の金属元
素の少なくとも２種類の金属の混合比の違いにより前記
高誘電体薄膜の格子定数に整合した格子定数を有する金
属合金膜を有することを特徴とする。

【０００６】また基体上の少なくとも片面に金属電極膜
と高誘電体薄膜とを層状に積層する高誘電体薄膜コンデ
ンサであって、前記金属電極膜として少なくともＡｌ
と、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｎｄからなる群より選択される
少なくとも１つの物質とを含有する金属を用いることを
特徴とする。これにより低コストかつ高品質な高誘電体
薄膜コンデンサを提供することが可能になる。

【０００７】また前記コンデンサにおいては、ヒロック
のないＡｌ薄膜を形成することが可能となり、金属電極
と高誘電体薄膜の接合界面が良好となる結果、漏れ電流
が小さくなり、低コストかつ高品質な高誘電体薄膜コン
デンサを提供することが可能になる。また、純Ａｌに比
べて高温、高湿条件下において誘電体材料と反応するこ
となく高い安定性を示すことから、低コストかつ高品質
な高誘電体薄膜コンデンサを提供することが可能にな
る。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態の高誘電体薄膜
コンデンサは、基体上の少なくとも片面に金属電極膜と
高誘電体薄膜とを層状に積層する高誘電体薄膜コンデン
サであって、前記高誘電体薄膜の形成温度の基体温度は
４００℃を上限とし、かつ前記金属電極膜として少なく
ともＡｌとＡｌ以外の金属元素の少なくとも２種類の金
属の混合比の違いにより前記高誘電体薄膜の格子定数に
整合した格子定数を有する金属合金膜を有することを特
徴とする。

【０００９】また、基体上の少なくとも片面に金属電極
膜と高誘電体薄膜とを層状に積層す る高誘電体薄膜コン
デンサであって、前記金属電極膜として少なくともＡｌ
と、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｎｄからなる群より選択される
少なくとも１つの物質とを含有する金属を用いることを
特徴とする。これにより低コストかつ高品質な高誘電体
薄膜コンデンサを提供することが可能になる。

【００１０】また前記コンデンサにおいては、ヒロック
のないＡｌ薄膜を形成することが可能となり、金属電極
と高誘電体薄膜の接合界面が良好となる結果、漏れ電流
が小さくなり、低コストかつ高品質な高誘電体薄膜コン
デンサを提供することが可能になる。また、純Ａｌに比
べて高温、高湿条件下において誘電体材料と反応するこ
となく高い安定性を示すことから、低コストかつ高品質
な高誘電体薄膜コンデンサを提供することが可能にな
る。

【００１１】また前記コンデンサにおいては、Ｓｉ、Ｃ
ｕ、Ｔａ、Ｎｄの含有量が５ａｔ％を上限とすることを
特徴とする。これによりＡｌの比抵抗を上げることな
く、かつヒロックのないＡｌ薄膜を形成することが可能
となり、金属電極と高誘電体薄膜の接合界面が良好とな
る結果、漏れ電流が小さくなり、低コストかつ高品質な
高誘電体薄膜コンデンサを提供することが可能になる。

【００１２】また基体上の少なくとも片面に金属電極膜
と高誘電体薄膜とを層状に積層する高誘電体薄膜コンデ
ンサであって、前記金属電極膜として少なくともＡｌ
と、Ｃｕ、Ｎｉからなる群より選択される少なくとも１
つの物質を含有する金属を用いることを特徴とする。こ
れにより高誘電体薄膜の格子定数と整合のとれた金属電
極膜を形成することが可能となり、金属電極と高誘電体
薄膜の接合界面が良好となる結果、漏れ電流が小さい低
コストかつ高品質な高誘電体薄膜コンデンサを提供する
ことが可能になる。

【００１３】また前記コンデンサにおいては、金属電極
膜としてＡｌとＡｌ以外の金属元素の少なくとも２種類
の金属の混晶比の違いにより任意の格子定数を有する金
属合金膜を用いることを特徴とする。これにより任意の
格子定数を有する金属合金膜 を得ることが可能となり、
高誘電体薄膜の格子定数に整合した格子定数を有する金
属電極膜の形成が可能となる結果、金属電極と高誘電体
薄膜の接合界面が良好となり、漏れ電流が小さい低コス
トかつ高品質な高誘電体薄膜コンデンサを提供すること
が可能になる。

【００１４】また前記コンデンサにおいては、高誘電体
薄膜との格子不整合が５％を上限とすることを特徴とす
る。これにより金属電極膜と高誘電体薄膜との間での格
子定数のずれにより発生する未結合手の導入を抑制され
る結果、金属電極と高誘電体薄膜の接合界面が良好とな
り、漏れ電流が小さい低コストかつ高品質な高誘電体薄
膜コンデンサを提供することが可能になる。

【００１５】また上述するコンデンサにおいては、高誘
電体薄膜がＳｒＴｉＯ ₃ 、ＢａＴｉＯ ₃ 、ＰｂＴｉＯ ₃ 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、金属電極膜の格子定数と整
合のとれた高誘電体薄膜を形成することが可能となり、
金属電極と高誘電体薄膜の接合界面が良好となる結果、
誘電率が高く、漏れ電流が小さい低コストかつ高品質な
高誘電体薄膜コンデンサを提供することが可能になる。

【００１６】次に、本発明の実施形態における高誘電体
薄膜コンデンサの製造方法は、金属電極の形成法として
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、低コストかつ高品質な高誘電体薄膜コンデン
サを提供することが可能である。

【００１７】また、高誘電体薄膜の形成法がＲＦマグネ
トロンスパッタ法、ＥＣＲマグネトロンスパッタ法、Ｃ
ＶＤ法、ゾル-ゲル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、低コストかつ高品
質な高誘電体薄膜コンデンサを提供することが可能であ
る。

【００１８】また、高誘電体薄膜の形成温度の基板温度
として４００℃を上限とすることが好ましい。これによ
り、高誘電体薄膜を形成する際の高温での酸化雰囲気に
弱いＡｌやＮｉ、Ｃｕなどの低コスト材料を電極材料と
して使用することが可能となり、低コストかつ高品質な
高誘電体薄膜コンデンサを提供することが可能である。

【００１９】本実施形態により製造される高誘電体薄膜
コンデンサとは、金属電極膜として少なくともＡｌを含
有する金属を用いた、低コストかつ高品質な高誘電体薄
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。ある
いは、ＩＣ基板上に直接高誘電体薄膜を堆積してメモリ
素子としてモノリシックな集積回路を構成することが可
能となる。

【００２０】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。

【００２１】（実施の形態１） 図１は第１の実施の形態における高誘電体薄膜コンデン
サの断面図である。図１において、１はセラミック基
体、２は金属電極、３は高誘電体薄膜である。セラミッ
ク基体１として硼珪酸ガラスを用い、金属電極２にはＰ
ｔまたはＡｌ、高誘電体３にＳｒＴｉＯ₃を用いた。

【００２２】ガラス基体１上にＤＣマグネトロンスパッ
タ法を用いてＰｔまたはＡｌ電極薄膜２を形成後、ＲＦ
マグネトロンスパッタ法によりＳｒＴｉＯ₃を形成し
た。引き続き電極のＰｔまたはＡｌ２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。上記試料では共にコンデンサ特性を確認すること
ができた。比誘電率は電極にＰｔを用いた素子ではε_r
＝８０、Ａｌを用いた素子ではε_r＝７５であった。ま
た、素子に５Ｖの電圧を印加したときの絶縁抵抗値もと
もに１０¹⁰Ωを示した。

【００２３】前記コンデンサにおいては、ヒロックのな
いＡｌ薄膜を金属電極膜として用いることが好ましい。

【００２４】また前記コンデンサにおいては、Ａｌ以外
の元素としてＳｉ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｎｄからなる群より選
択される少なくとも１つの物質を含有することが好まし
い。

【００２５】また前記コンデンサにおいては、Ｓｉ、Ｃ
ｕ、Ｔａ、Ｎｄの含有量が５ａｔ％を上限とすることが
好ましい。

【００２６】また前記コンデンサにおいては、金属電極
膜としてＡｌとＡｌ以外の金属元素の少なくとも２種類
の金属の混晶比の違いにより任意の格子定数を有する金
属合金膜を用いることが好ましい。

【００２７】また前記コンデンサにおいては、高誘電体
薄膜との格子不整合が５％を上限とすることが好まし
い。

【００２８】また前記コンデンサにおいては、Ａｌ以外
の元素としてＣｕ、Ｎｉからなる群より選択される少な
くとも１つの物質を含有することが好ましい。

【００２９】高誘電体薄膜としては、４００℃以下の基
板温度において高い比誘電率が得られるようなＳｒＴｉ
Ｏ₃、ＢａＴｉＯ₃、ＰｂＴｉＯ₃およびこれらの固溶体
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。

【００３０】金属電極の形成法としては、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。

【００３１】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、
ＣＶＤ法、ゾル-ゲル法を用いることが好ましい。ま
た、高誘電体薄膜の形成温度が４００℃以下であること
が好ましい。

【００３２】

【実施例】以下本発明の具体的実施例について説明す
る。

【００３３】（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１上に、ＤＣマグ
ネトロンスパッタ法を用いてＰｔ、あるいはＡｌによる
下部電極２を形成した。それぞれの金属電極膜のスパッ
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８ｍＴｏ
ｒｒ、基板温度２５℃の条件で行った。それぞれの膜厚
は約１００ｎｍ、蒸着レートはともに約１０ｎｍ／ｍｉ
ｎであった。なお、それぞれの電極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。電極形成後、
ＳｒＴｉＯ₃の高誘電体薄膜３の形成を行った。ＳｒＴ
ｉＯ₃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、ＲＦ電力８００Ｗ、成膜圧力８ｍＴｏｒｒ、基板温
度３００℃の条件で行った。ＳｒＴｉＯ₃薄膜の膜厚は
約３００ｎｍ、膜堆積速度は約３０ｎｍ／ｍｉｎあっ
た。金属電極上のＳｒＴｉＯ₃薄膜の表面積は４×４ｍ
ｍであった。ＳｒＴｉＯ₃薄膜形成後、再びＰｔ、また
はＡｌ電極の形成を行った。このようにＰｔ／ＳｒＴｉ
Ｏ₃／Ｐｔ／ｇｌａｓｓおよびＡｌ／ＳｒＴｉＯ₃／Ａｌ
／ｇｌａｓｓの２種類の高誘電体薄膜コンデンサを作製
した。金属電極の形成条件は、２種類の高誘電体薄膜コ
ンデンサ共に第一層の金属電極と第二層の金属電極はそ
れぞれ同一条件である。金属電極に挟まれたＳｒＴｉＯ
₃薄膜の表面積は３×３ｍｍであった。

【００３４】上記、高誘電体薄膜コンデンサを作製し、
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。また絶縁抵抗ＩＲは
５Ｖ印加時の値である。

【表１】 上記２種類のコンデンサ特性を比較したところ、比誘電
率は電極にＰｔを用いた素子ではε_r＝８０、Ａｌを用
いた素子ではε_r＝７５であった。また、素子に５Ｖの
電圧を印加したときの絶縁抵抗値もともに１０¹⁰Ωを示
し、ほぼ同程度の特性を有することがわかる。

【００３５】ここで、Ｐｔ、Ａｌ両電極はそれぞれの金
属ターゲットを用いて薄膜形成を行っているが、それぞ
れのターゲット価格には約１桁程度の違いがある。これ
らの価格の差はコンデンサの製造原価に反映され、当
然、Ｐｔを電極材料として用いた場合ではＡｌを電極材
料として用いたコンデンサよりも高価なコンデンサとな
ってしまう。従って、トータルな製造コストを考えた場
合、Ａｌを電極材料として用いた方が低コストとなり、
性能的にもＰｔ電極を用いたコンデンサと比較して何ら
問題ない。

【００３６】以上の結果から、本発明のコンデンサの電
極材料としてＡｌを含有する金属を用いることにより、
低コストかつ高品質な高誘電体薄膜コンデンサを提供す
ることが可能になる。

【００３７】（実施例２） 第２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、電極材料として実施例１のＡｌ以外に、Ｓｉ、
Ｃｕ、Ｔａ、Ｎｄをそれぞれ２ａｔ％含有したＡｌ（そ
れぞれＡｌ：Ｓｉ、Ａｌ：Ｃｕ、Ａｌ：Ｔａ、Ａｌ：Ｎ
ｄと表記する）を用いて検討を行った。電極材料以外は
実施例１とすべて同一条件である。

【００３８】上記、高誘電体薄膜コンデンサを作製し、
コンデンサ特性を評価した結果を（表２）に示す。

【表２】 上記４種類のコンデンサ特性を作製したところ、それぞ
れ実施例１で使用した純Ａｌを用いて形成したコンデン
サよりも１桁高い絶縁抵抗値が得られた。これは純Ａｌ
の金属ターゲットを用いて形成したＡｌ膜には３０ｎｍ
程度の凹凸があるのに対し、実施例２で形成したＡｌ膜
には１０ｎｍ程度の凹凸であることが原子間力顕微鏡
（ＡＦＭ）により観測されており、純ＡｌでのＩＲ値の
低下は電極表面の凹凸の結果を反映したものであると考
えられる。すなわち、電極／誘電体間での接合部におい
て、電極表面の凹凸が大きくなると接合部に界面準位が
発生し、その界面準位を介して漏れ電流が発生すること
によりＩＲ特性が劣化したものと考えられる。従って、
Ａｌ以外の元素としてＳｉ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｎｄからなる
群より選択される少なくとも１つの物質を含有すること
によりヒロックのないＡｌ薄膜を形成することが可能と
なり、金属電極と高誘電体薄膜の接合界面が良好となる
結果、漏れ電流が小さくなり、低コストかつ高品質な高
誘電体薄膜コンデンサを提供することが可能になる。

【００３９】次に、上記４種類のコンデンサと実施例１
で使用したＡｌ電極のコンデンサに対して耐湿負荷試験
を行った。図２に６０℃、ＲＨ（相対湿度）９５％、Ｄ
Ｃ５Ｖ印加時における容量変化率（△ｃ／ｃ）、ｔａｎ
δ、ＩＲの経時変化を示す。実施例１で使用した純Ａｌ
を電極に用いたコンデンサと比較して、実施例２で使用
した各種電極材料は長期間においても安定し、特性劣化
がほとんど観測されていないことがわかる。従って、Ａ
ｌ以外の元素としてＳｉ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｎｄからなる群
より選択される少なくとも１つの物質を含有することに
より純Ａｌに比べて高温、高湿条件下において誘電体材
料と反応することなく高い安定性を示すことから、低コ
ストかつ高品質な高誘電体薄膜コンデンサを提供するこ
とが可能になる。

【００４０】なお、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｎｄの含有量と
しては、Ａｌのもつ低比抵抗な値を変えることなく、か
つヒロックが発生せず、なおかつ耐高温・高湿特性が得
られる値として、５ａｔ％を上限とすることが好まし
い。

【００４１】（実施例３） 第３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、電極材料としてＡｌ、ＡｌとＮｉの合金、Ａｌ
とＣｕの合金による電極を形成した。ＡｌとＮｉの合金
はＡｌが７０ａｔ％、Ｎｉが３０ａｔ％の合金であり、
ＡｌとＣｕの合金はＡｌが７０ａｔ％、Ｃｕが３０ａｔ
％の合金である。それぞれの合金は、それぞれの比率の
合金ターゲットを用いて形成した。それぞれの金属電極
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８ｍＴｏｒｒ、基板温度２５℃の条件で行った。それ
ぞれの膜厚は約１００ｎｍ、蒸着レートは約１０ｎｍ／
ｍｉｎであった。電極材料以外は実施例１とすべて同一
条件である。

【００４２】上記、高誘電体薄膜コンデンサを作製し、
コンデンサ特性を評価した結果を（表３）に示す。

【表３】 Ａｌ膜はＳｒＴｉＯ₃薄膜に対し約４％程度格子定数が
大きく、Ｎｉを３０ａｔ％含有したＡｌＮｉ膜はＳｒＴ
ｉＯ₃薄膜とほぼ同等の格子定数となり、Ｃｕを３０ａ
ｔ％含有したＡｌＣｕ膜もＳｒＴｉＯ₃薄膜とほぼ同等
の格子定数となっている。これら格子定数の不整合によ
り、ＳｒＴｉＯ₃薄膜に加わる応力が異なり、Ａｌ電極
ではＳｒＴｉＯ₃薄膜の面内に引っ張りの応力が加わっ
ている。比誘電率は、Ａｌ電極に対しＮｉを含有するこ
とにより引っ張りから応力ゼロへと変化する結果、高い
比誘電率を示すようになっている。さらに、Ａｌのみと
比べてＮｉあるいはＣｕとの合金によるＡｌ膜は、Ｓｒ
ＴｉＯ₃薄膜との格子定数の不整合が小さくなる結果、
電極上へのＳｒＴｉＯ₃薄膜のエピタキシャル的な成長
が起こり、界面準位が低減される結果、良好なｔａｎ
δ、ＩＲ特性が得られている。

【００４３】以上の結果から、金属電極膜としてＡｌと
Ａｌ以外の金属元素の少なくとも２種類の合金からな
り、２種類の金属の混晶比の違いにより任意の格子定数
を有する金属合金膜を用いることにより任意の格子定数
を有する金属合金膜を得ることが可能となり、高誘電体
薄膜の格子定数に整合した格子定数を有する金属電極膜
の形成が可能となる結果、金属電極と高誘電体薄膜の接
合界面が良好となり、漏れ電流が小さい低コストかつ高
品質な高誘電体薄膜コンデンサを提供することが可能に
なる。また、格子不整合の上限としては５％を上限とす
ることが好ましい。

【００４４】（実施例４） 第４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１上に、ＲＦマグ
ネトロンスパッタ法を用いてＡｌ、あるいはＡｌとＮｉ
の合金、あるいはＮｉによる下部電極２を形成した。Ａ
ｌとＮｉの合金はＡｌ：７０ａｔ％、Ｎｉ３０ａｔ％、
あるいはＡｌ：４０ａｔ％、Ｎｉ：６０ａｔ％の２種類
で、それぞれの合金ターゲットを用いて形成した。それ
ぞれの金属電極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、ＲＦ電力２
００Ｗ、成膜圧力８ｍＴｏｒｒ、基板温度２５℃の条件
で行った。それぞれの膜厚は約１００ｎｍ、蒸着レート
は約１０ｎｍ／ｍｉｎであった。なお、それぞれの電極
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。電極形成後、ＳｒＴｉＯ₃の高誘電体薄膜３の形
成を行った。ＳｒＴｉＯ₃薄膜のスパッタ条件は１０^-6
Ｔｏｒｒ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８００Ｗ、成
膜圧力８ｍＴｏｒｒ、基板温度３００℃の条件で行っ
た。ＳｒＴｉＯ₃薄膜の膜厚は約３００ｎｍ、膜堆積速
度は約３０ｎｍ／ｍｉｎあった。金属電極上のＳｒＴｉ
Ｏ₃薄膜の表面積は４×４ｍｍであった。ＳｒＴｉＯ₃薄
膜形成後、再びＡｌ、およびＡｌとＮｉの合金、および
Ｎｉ電極２の形成を行った。このようにＡｌ／ＳｒＴｉ
Ｏ₃／Ａｌ／ｇｌａｓｓおよびＡｌＮｉ(30at%)／ＳｒＴ
ｉＯ₃／ＡｌＮｉ(30at%)／ｇｌａｓｓおよびＡｌＮｉ(6
0at%)／ＳｒＴｉＯ₃／ＡｌＮｉ(60at%)／ｇｌａｓｓお
よびＮｉ／ＳｒＴｉＯ₃／Ｎｉ／ｇｌａｓｓの４種類の
高誘電体薄膜コンデンサを作製した。金属電極の形成条
件は、４種類の高誘電体薄膜コンデンサ共に第一層の金
属電極と第二層の金属電極はそれぞれ同一条件である。
金属電極に挟まれたＳｒＴｉＯ₃薄膜の表面積は３×３
ｍｍであった。

【００４５】上記、高誘電体薄膜コンデンサを作製し、
コンデンサ特性を評価した結果を（表４）に示す。な
お、測定周波数は１ｋＨｚである。また絶縁抵抗ＩＲは
５Ｖ印加時の値である。

【表４】 Ａｌ膜はＳｒＴｉＯ₃薄膜に対し約４％程度格子定数が
大きく、Ｎｉを３０ａｔ％含有したＡｌＮｉ膜はＳｒＴ
ｉＯ₃薄膜とほぼ同等の格子定数を有し、Ｎｉを６０ａ
ｔ％含有したＡｌＮｉ膜はＳｒＴｉＯ₃薄膜に対し約５
％程度格子定数が小さく、Ｎｉ膜はＳｒＴｉＯ₃薄膜に
対し約１０％程度格子定数が小さくなっている。これら
格子定数の不整合の違いにより、ＳｒＴｉＯ₃薄膜に加
わる応力が異なり、Ａｌ電極ではＳｒＴｉＯ₃薄膜の面
内に引っ張りの応力が、逆にＮｉ電極ではＳｒＴｉＯ₃
薄膜の面内に圧縮の応力が加わっている。比誘電率は、
Ａｌ電極に対しＮｉを含有することにより引っ張りから
圧縮応力へと変化する結果、高い比誘電率を示すように
なっている。しかし、Ｎｉのみになると格子定数の不整
合が大きくなる結果、電極上へのＳｒＴｉＯ₃薄膜のエ
ピタキシャル的な成長が困難となり、応力の緩和によっ
て比誘電率は再び低下している。ｔａｎδについても同
様の現象が確認されている。また、ＩＲについては、格
子不整合の少ない前者３試料については比較的高い値が
得られているが、Ｎｉのみになると極度な低下を示して
いる。これは格子定数の不整合が大きくなることにより
接合面での界面準位が多発し、この準位を介して漏れ電
流が発生することによりＩＲ特性が劣化したものと考え
られる。

【００４６】以上の結果から、本発明の高誘電体薄膜を
用いることにより、金属電極膜の格子定数が高誘電体薄
膜の格子定数と同じか、あるいは高誘電体薄膜の格子定
数より小さくすることにより高品質かつ高信頼性を有す
る高誘電体薄膜薄膜コンデンサを提供することができ
る。また、格子不整合の上限としては５％を上限とする
ことが好ましい。

【００４７】（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３の代わりにＢａＴｉＯ₃、ＰｂＴｉ
Ｏ₃、および固溶体の（Ｂａ_0.2Ｓｒ_0.8）ＴｉＯ₃と（Ｐ
ｂ_0.1Ｓｒ_0.9）ＴｉＯ₃、比較例としてＢｉＴｉＯ₃を用
いて同様の実験を行った。ＢａＴｉＯ₃、ＰｂＴｉＯ₃、
（Ｂａ_0.2Ｓｒ_0.8）ＴｉＯ₃、（Ｐｂ０．１Ｓｒ０．
９）ＴｉＯ３、ＢｉＴｉＯ３の形成条件は実施例１と同
様である。金属電極２にはＡｌＮｉ合金膜を用い、Ｎｉ
含有量は３０ａｔ％である。それ以外は実施例１とすべ
て同一条件である。（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比誘電率
を示す。

【表５】 実験の結果、ＢｉＴｉＯ₃を除いたすべての誘電体薄膜
において比誘電率の高い特性を得ることができた。

【００４８】以上の結果から、高誘電体薄膜がＳｒＴｉ
Ｏ₃、ＢａＴｉＯ₃、ＰｂＴｉＯ₃からなる群より選択さ
れる少なくとも１つの物質を用いることにより、金属電
極膜の格子定数と整合のとれた高誘電体薄膜を形成する
ことが可能となり、金属電極と高誘電体薄膜の接合界面
が良好となる結果、誘電率が高く、漏れ電流が小さい低
コストかつ高品質な高誘電体薄膜コンデンサを提供する
ことが可能になる。

【００４９】（実施例６） 第６の実施例として、実施例１で使用したＡｌ電極２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
いて基板温度２５℃の条件で行った。金属電極の形成以
外は実施例１とすべて同一条件である。

【００５０】実験の結果、コンデンサ特性として実施例
１とほぼ同等の値を得ることができた。

【００５１】なお、金属電極の形成法としてＤＣマグネ
トロンスパッタ法、ＲＦマグネトロンスパッタ法、ＥＣ
Ｒマグネトロンスパッタ法、真空蒸着法を用いてもほぼ
同様の効果を得ることができた。

【００５２】以上の結果から、金属電極の形成法が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、真空蒸着法からな
る群より選択される手段を用いることにより、低コスト
かつ高品質な高誘電体薄膜コンデンサを提供することが
可能である。

【００５３】なお、金属電極の形成法としては、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。

【００５４】（実施例７） 第７の実施例として、実施例１で使用したＳｒＴｉＯ₃
薄膜３の形成方法としてＭＯＣＶＤを用いて同様の実験
を行った。ＭＯＣＶＤはＳｒ源としてＳｒ（ＤＰＭ）₂
［Ｓｒ（Ｃ₁₁Ｈ₁₉Ｏ₂）₂］をＴＨＦ［Ｃ₄Ｈ₈Ｏ］溶液中
に０．１ｍｏｌ／Ｌ溶融したものを用い、Ｔｉ源として
ＴＴＩＰ［Ｔｉ（Ｏ−ｉＣ₃Ｈ₇）₄］を用いた。Ｎ₂をキ
ャリアガスとして、それぞれ０．５ｃｍ³／ｍｉｎ、
０．８ｃｍ³／ｍｉｎの流量にて基板上に供給した。こ
れにＯ₂とＮ₂Ｏを８ｓｌｍの流量で導入し、３０Ｔｏｒ
ｒの成膜雰囲気中にてＳｒＴｉＯ₃薄膜の形成を行っ
た。基板温度は３００℃で、ＳｒＴｉＯ₃薄膜の膜厚は
３００ｎｍ、堆積速度は約１０ｎｍ／ｍｉｎであった。
誘電体薄膜の形成以外は実施例１とすべて同一条件であ
る。

【００５５】実験の結果、コンデンサ特性として実施例
１とほぼ同等の値を得ることができた。

【００５６】なお、高誘電体薄膜の形成法としてＥＣＲ
マグネトロンスパッタ法、真空蒸着法、ゾル-ゲル法を
用いてもほぼ同様の効果を得ることができた。

【００５７】以上の結果から、高誘電体薄膜の形成法が
ＲＦマグネトロンスパッタ法、ＥＣＲマグネトロンスパ
ッタ法、ＣＶＤ法、ゾル-ゲル法からなる群より選択さ
れる手段を用いることにより、低コストかつ高品質な高
誘電体薄膜コンデンサを提供することが可能である。

【００５８】なお、成膜速度の向上、および形成された
膜品質、真空装置の自動化、連続化の観点からＲＦマグ
ネトロンスパッタ法を用いて高誘電体薄膜を形成するこ
とが好ましい。

【００５９】（実施例８） 第８の実施例として、実施例１で使用したＳｒＴｉＯ₃
薄膜３の形成時における基体温度の検討を行った。金属
電極はＮｉが３０ａｔ％含有のＡｌＮｉ合金膜を用い
た。その他、ＳｒＴｉＯ₃薄膜の形成時における基体温
度以外は実施例１とすべて同一条件である。

【００６０】図３に基体温度に対する高誘電体薄膜コン
デンサの比誘電率の関係を示す。基体温度の増加に伴
い、４００℃まではコンデンサの比誘電率が増加してい
る。これは基板温度の上昇に伴う高誘電体薄膜の結晶化
率が向上したことによるものである。比誘電率の向上は
コンデンサの容量の向上につながり、より小さな面積で
大容量のコンデンサを得ることができることから、コン
デンサの低価格化および小型化を実現できる。ただし、
基体温度が３００℃を越えると金属電極表面が酸化され
ることにより金属電極と高誘電体薄膜間に低比誘電率の
金属酸化物層が形成され、見かけ上の比誘電率が減少す
る結果となった。従って、実質的な基体温度としては４
００℃を上限とすることにより、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得ることができる。

【００６１】

【発明の効果】本発明の高誘電体薄膜コンデンサは、基
体上の少なくとも片面に金属電極膜と高誘電体薄膜とを
層状に積層する高誘電体薄膜コンデンサであって、前記
高誘電体薄膜の形成温度の基体温度は４００℃を上限と
し、かつ前記金属電極膜として少なくともＡｌとＡｌ以
外の金属元素の少なくとも２種類の金属の混合比の違い
により前記高誘電体薄膜の格子定数に整合した格子定数
を有する金属合金膜を有することを特徴とする。

【００６２】基体上の少なくとも片面に金属電極膜と高
誘電体薄膜とを層状に積層する高誘電体薄膜コンデンサ
であって、前記金属電極膜として少なくともＡｌと、Ｓ
ｉ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｎｄからなる群より選択される少なく
とも１つの物質とを含有する金属を用いることを特徴と
する。これにより低コストかつ高品質な高誘電体薄膜コ
ンデンサを提供することが可能になる。

【００６３】また前記コンデンサにおいては、ヒロック
のないＡｌ薄膜を形成することが可能となり、金属電極
と高誘電体薄膜の接合界面が良好となる結果、漏れ電流
が小さくなり、低コストかつ高品質な高誘電体薄膜コン
デンサを提供することが可能になる。また、純Ａｌに比
べて高温、高湿条件下において誘電体材料と反応するこ
となく高い安定性を示すことから、低コストかつ高品質
な高誘電体薄膜コンデンサを提供することが可能にな
る。

【００６４】また基体上の少なくとも片面に金属電極膜
と高誘電体薄膜とを層状に積層する高誘電体薄膜コンデ
ンサであって、前記金属電極膜として少なくともＡｌ
と、Ｃｕ、Ｎｉからなる群より選択される少なくとも１
つの物質を含有する金属を用いることを特徴とする。こ
れにより高誘電体薄膜の格子定数と整合のとれた金属電
極膜を形成することが可能となり、金属電極と高誘電体
薄膜の接合界面が良好となる結果、漏れ電流が小さい低
コストかつ高品質な高誘電体薄膜コンデンサを提供する
ことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１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２の高誘電体薄膜コンデンサの
特性を示す図

【図３】本発明の実施例８の高誘電体薄膜コンデンサの
特性を示す図

【符号の説明】

１ ガラス基体 ２ 金属電極 ３ 高誘電体薄膜

フロントページの続き (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 (56)参考文献 特開 平４−62715（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−293705（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−120072（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−340091（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01G 4/12

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体上の少なくとも片面に金属電極膜と
   高誘電体薄膜とを層状に積層する高誘電体薄膜コンデン
   サであって、前記高誘電体薄膜の形成温度の基体温度は
   ４００℃を上限とし、かつ前記金属電極膜として少なく
   ともＡｌとＡｌ以外の金属元素の少なくとも２種類の金
   属の混合比の違いにより前記高誘電体薄膜の格子定数に
   整合した格子定数を有する金属合金膜を有することを特
   徴とする高誘電体薄膜コンデンサ。
2. 【請求項２】 基体上の少なくとも片面に金属電極膜と
   高誘電体薄膜とを層状に積層する高誘電体薄膜コンデン
   サであって、前記金属電極膜として少なくともＡｌと、
   Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｎｄからなる群より選択される少な
   くとも１つの物質とを含有する金属を用いることを特徴
   とする高誘電体薄膜コンデンサ。
3. 【請求項３】 Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｎｄの含有量が５ａ
   ｔ％を上限とすることを特徴とする請求項２記載の高誘
   電体薄膜コンデンサ。
4. 【請求項４】 基体上の少なくとも片面に金属電極膜と
   高誘電体薄膜とを層状に積層する高誘電体薄膜コンデン
   サであって、前記金属電極膜として少なくともＡｌと、
   Ｃｕ、Ｎｉからなる群より選択される少なくとも１つの
   物質を含有する金属を用いることを特徴とする高誘電体
   薄膜コンデンサ。
5. 【請求項５】 Ａｌと、Ｃｕ、Ｎｉからなる群より選択
   される少なくとも１つの物質との金属の混晶比の違いに
   より任意の格子定数を有する金属合金膜を用いることを
   特徴とする請求項４記載の高誘電体薄膜コンデンサ。
6. 【請求項６】 金属合金膜と高誘電体薄膜との格子不整
   合が５％を上限とすることを特徴とする請求項４記載の
   高誘電体薄膜コンデンサ。
7. 【請求項７】 高誘電体薄膜の格子定数に整合した格子
   定数を有する金属合金膜を有することを特徴とする請求
   項４記載の高誘電体薄膜コンデンサ。