JP7310550B2 - 誘電体膜、誘電体素子および電子回路基板 - Google Patents

Description

本発明は、誘電体膜、誘電体素子および電子回路基板に関する。

近年、電子機器の小型化、高性能化に伴い、電子回路の高密度化、高集積化が進んでいる。このような電子回路に多数実装されているコンデンサ素子のような誘電体素子にも一層の小型化が望まれている。

一方、電子回路の動作周波数が高くなるにつれて、クロックの立ち上がり時間が短くなっている。さらに、電子機器の低消費電力化を目指して、電源の低電圧化が進められている。このような条件の下では、電子回路の負荷が急激に変動したときに、電子回路の駆動電圧が不安定になりやすくなる。電子回路を正常に動作させるためには、駆動電圧を安定化する必要がある。

このような目的のため、電子回路の電圧電源ラインとグランドラインとの間にデカップリング用コンデンサを配置し、駆動電圧を安定化する方法が採られている。デカップリング用コンデンサを有効に機能させるには、電子回路とデカップリング用コンデンサとの間の等価直列インダクタンスの低下及びデカップリング用コンデンサ自体の大容量化が必要である。

電子回路とデカップリング用コンデンサとの間の等価直列インダクタンスを低下させるためには、デカップリング用コンデンサは、できる限り電子回路の近くに配置し、電子回路とデカップリング用コンデンサとの間の配線の低インダクタンス化を図ることが有効である。

デカップリング用コンデンサとしては、設計の自由度の観点から、薄膜コンデンサが用いられてきた。従来、薄膜コンデンサ素子の誘電体に用いられる材料としては、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４などが例示される。しかしながら、これらの材料の比誘電率は低いという問題がある。比較的高い比誘電率をもつ材料として、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３、ＢａＴｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３等のペロブスカイト型酸化物が例示される。大きい容量を有する薄膜コンデンサを得る手法としては、比誘電率の高い材料を用いる手法の他に誘電体を薄層化する手法がある。しかしながら、誘電体を薄層化すると、リーク特性が劣化することになる。

リーク特性が良好な薄膜コンデンサとして、特許文献１は、組成式が（Ｓｒ_１－ｘＣａ_ｘ）_ｙＴｉＯ_３で表されるチタン酸ストロンチウムカルシウムを含む薄膜誘電体であって、原子数比ｘおよびｙが所定の範囲内である薄膜誘電体を開示している。

特開２００７－１７９７９４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された薄膜誘電体を備える薄膜コンデンサの比誘電率が低く、高い電界強度におけるリーク電流密度が高いという問題があった。また、許容リップル電流が低いという問題があった。

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、比誘電率が高く、リーク電流密度が小さく、許容リップル電流が高い誘電体膜を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の態様は、
［１］一般式（Ｓｒ_１－ｘＣａ_ｘ）_ｙＴｉＯ_３で表される複合酸化物を主成分として有する誘電体膜であって、
ｘおよびｙが、０．４０≦ｘ≦０．９０、０．９０≦ｙ≦１．１０である関係を満足し、
誘電体膜のＸ線回折チャートにおいて、複合酸化物の（０，０，４）面の回折ピーク強度に対する複合酸化物の（１，１，２）面の回折ピーク強度の比が３．００以上である誘電体膜である。

［２］複合酸化物の（０，０，４）面の回折ピーク強度に対する前記複合酸化物の（１，１，２）面の回折ピーク強度の比が５．００以上である［１］に記載の誘電体膜である。

［３］一般式（Ｓｒ_１－ｘＣａ_ｘ）_ｙＴｉＯ_３で表される複合酸化物を主成分として有する誘電体膜であって、
ｘおよびｙが、０．４０≦ｘ≦０．９０、０．９０≦ｙ≦１．１０である関係を満足し、
Ｃｕ－Ｋα線をＸ線源とするＸ線回折測定により得られる誘電体膜のＸ線回折チャートにおいて、回折角２θが４６°以上４８°以下の範囲に現れる回折ピーク強度に対する回折角２θが３２°以上３４°以下の範囲に現れる回折ピーク強度の比が３．００以上である誘電体膜である。

［４］回折角２θが４６°以上４８°以下の範囲に現れる回折ピーク強度に対する回折角２θが３２°以上３４°以下の範囲に現れる回折ピーク強度の比が５．００以上である［３］に記載の誘電体膜である。

［５］誘電体膜は、ＭｎＯ、Ｖ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３およびＮｂ_２Ｏ_５からなる群から選ばれる少なくとも１つを副成分として有する［１］から［４］のいずれかに記載の誘電体膜である。

［６］誘電体膜は、ＭｎＯを有し、複合酸化物１００モルに対して、ＭｎＯの含有量が０．０１０モル以上２．０００モル以下である［５］に記載の誘電体膜である。

［７］誘電体膜は、Ｖ_２Ｏ_５を有し、複合酸化物１００モルに対して、Ｖ_２Ｏ_５の含有量が０．０５０モル以上３．０００モル以下である［５］または［６］に記載の誘電体膜である。

［８］［１］から［７］のいずれかに記載の誘電体膜と、電極とを備える誘電体素子である。

［９］［８］に記載の誘電体素子が搭載されている電子回路基板である。

本発明によれば、比誘電率が高く、リーク電流密度が小さく、許容リップル電流が高い誘電体膜を提供することができる。

図１は、本実施形態に係る誘電体素子の一例としての薄膜コンデンサの模式的な断面図である。 図２（ａ）は、本実施形態に係る電子回路基板の一例の模式的な断面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す電子回路基板に搭載された薄膜コンデンサの一例の模式的な断面図である。

以下、本発明を、具体的な実施形態に基づき、以下の順序で詳細に説明する。
１．薄膜コンデンサ
１．１．薄膜コンデンサの全体構成
１．２．誘電体膜
１．２．１．複合酸化物
１．３．基板
１．４．第１の電極
１．５．第２の電極
２．薄膜コンデンサの製造方法
３．電子回路基板
４．本実施形態のまとめ
５．変形例

（１．薄膜コンデンサ）
まず、本実施形態に係る誘電体素子として、薄膜状の誘電体膜を有する薄膜コンデンサについて説明する。

（１．１．薄膜コンデンサの全体構成）
図１に示すように、本実施形態に係る誘電体素子の一例としての薄膜コンデンサ１００は、基板１０と、第１の電極３０と、誘電体膜４０と、第２の電極５０とがこの順序で積層された構成を有している。第１の電極３０および第２の電極５０が外部回路に接続されて電圧が印加されると、誘電体膜４０が所定の静電容量を示し、コンデンサとしての機能を発揮することができる。各構成要素についての詳細な説明は後述する。なお、第１の電極と第２の電極とが異なる材質である場合には、薄膜コンデンサの上下方向を区別するために、一方の電極を上部電極、他方の電極を下部電極としてもよい。

なお、薄膜コンデンサの形状に特に制限はないが、通常、直方体形状とされる。またその寸法にも特に制限はなく、厚みおよび長さは用途に応じて適当な寸法とすればよい。

（１．２．誘電体膜）
誘電体膜４０は、後述する複合酸化物を主成分として含んでいる。本実施形態では、当該複合酸化物は、誘電体膜１００モル％中９５モル％以上を占める成分であり、９７モル％以上を占める成分であることが好ましい。

また、本実施形態では、誘電体膜４０は、公知の成膜法により形成された薄膜である。このような薄膜は、通常、基板上に原子が堆積して形成されるので、誘電体膜は、誘電体堆積膜であることが好ましい。したがって、本実施形態に係る誘電体膜は、誘電体の原料粉末を成形した成形体を焼成して得られる（固相反応により得られる）焼結体は含まない。

誘電体膜４０の厚みは、好ましくは３０ｎｍ～１０００ｎｍ、より好ましくは３０ｎｍ～６００ｎｍである。

なお、誘電体膜４０の厚みは、誘電体膜４０を含む薄膜コンデンサを、ＦＩＢ（集束イオンビーム）加工装置で加工し、得られた断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察して測定することができる。

（１．２．１．複合酸化物）
上記の複合酸化物は、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）およびチタン（Ｔｉ）を含む酸化物である。本実施形態では、複合酸化物は、一般式（Ｓｒ_１－ｘＣａ_ｘ）_ｙＴｉＯ_３で表され、ペロブスカイト構造を有している。

一般式において、「ｘ」は、ストロンチウムおよびカルシウムの合計モル数を１．００としたときのカルシウムのモル比を表しており、「ｙ」は、チタンのモル数に対するストロンチウムおよびカルシウムの合計モル数の比を表している。

本実施形態では、「ｘ」および「ｙ」は、０．４０≦ｘ≦０．９０、０．９０≦ｙ≦１．１０である関係を満足する。

「ｘ」が小さすぎると、リーク電流が増加する傾向にある。一方、「ｘ」が大きすぎると、誘電率が低くなる傾向にある。

「ｙ」が小さすぎると、リーク電流が増加する傾向にある。一方、「ｙ」が大きすぎると、リーク電流が増加する傾向にある。

また、「ｘ」は０．６５以上であることが好ましく、０．７５以上であることがより好ましい。一方、「ｘ」は、０．８８以下であることが好ましく、０．８５以下であることがより好ましい。

「ｙ」は０．９２以上であることが好ましく、０．９６以上であることがより好ましい。一方、「ｙ」は、１．０８以下であることが好ましく、１．０６以下であることがより好ましい。

また、本実施形態に係る誘電体膜は結晶配向性を有している。このような結晶配向性は、公知の成膜法を用いて誘電体膜を形成することにより得られる。一方、誘電体の原料粉末を成形した成形体を焼成して得られる、すなわち、固相反応により得られる焼結体においては、結晶配向性に起因する後述する構造を有していない。

本実施形態では、誘電体膜のＸ線回折測定により得られるＸ線回折チャートにおいて、複合酸化物の（１，１，２）面の回折ピーク強度をＩ_{（１１２）}とし、複合酸化物の（０，０，４）面の回折ピーク強度をＩ_{（００４）}とした時に、Ｉ_{（１１２）}およびＩ_{（００４）}は、Ｉ_{（１１２）}／Ｉ_{（００４）}≧３．００である関係を満足する。

Ｉ_{（１１２）}およびＩ_{（００４）}が上記の関係を満足するよう誘電体膜の結晶配向性を制御することにより、誘電体膜の比誘電率が向上する。

Ｉ_{（１１２）}／Ｉ_{（００４）}は５．００以上であることが好ましく、６．００以上であることが好ましい。比誘電率の向上に加えて、誘電体膜の誘電損失を低減することができる。Ｉ_{（１１２）}／Ｉ_{（００４）}の上限は特に限定されない。

また、本実施形態では、Ｃｕ－Ｋα線をＸ線源とするＸ線回折測定により得られる誘電体膜のＸ線回折チャートにおいて、複合酸化物に帰属する回折ピークのうち、回折角２θが３２°以上３４°以下の範囲に現れる回折ピーク強度をＩ_１とし、回折角２θが４６°以上４８°以下の範囲に現れる回折ピーク強度をＩ_２としたときに、Ｉ_１およびＩ_２は、Ｉ_１／Ｉ_２≧３．００である関係を満足する。

Ｉ_１およびＩ_２が上記の関係を満足するよう誘電体膜の結晶配向性を制御することにより、誘電体膜の比誘電率が向上する。

Ｉ_１／Ｉ_２は５．００以上であることが好ましく、６．００以上であることが好ましい。比誘電率の向上に加えて、誘電体膜の誘電損失を低減することができる。

なお、通常、Ｉ_{（１１２）}はＩ_１と一致し、Ｉ_{（００４）}はＩ_２と一致する。本実施形態に係る誘電体膜は、Ｉ_{（１１２）}／Ｉ_{（００４）}の関係およびＩ_１／Ｉ_２の関係の両方を満足していてもよいし、Ｉ_{（１１２）}／Ｉ_{（００４）}の関係のみを満足してもよいし、Ｉ_１／Ｉ_２の関係のみを満足してもよい。

誘電体膜の結晶配向性の制御は公知の方法で行えばよい。たとえば、成膜法の種類、成膜時の基板温度、成膜時に与えるエネルギー、成膜時の雰囲気が例示される。

また、本実施形態に係る誘電体膜は、誘電損失の低減の観点から、上記の主成分に加えて、副成分として、酸化マンガン（ＭｎＯ）、酸化バナジウム（Ｖ_２Ｏ_５）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）および酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）からなる群から選ばれる少なくとも１つを含むことが好ましい。特に、酸化マンガンおよび酸化バナジウムを含むことが好ましい。

本実施形態に係る誘電体膜が酸化マンガンおよび酸化バナジウムを含む場合、主成分１００モル％に対して、酸化マンガンの含有割合が０．０１０モル％以上２．０００モル％以下であり、酸化バナジウムの含有割合が０．０５０モル％以上３．０００モル％以下であることが好ましい。

なお、本実施形態に係る誘電体膜は、本発明の効果を奏する範囲内において、上記の副成分以外の微量な不純物等を含んでいてもよい。

（１．３．基板）
図１に示す基板１０は、化学的、熱的に安定で応力発生が少なく、表面の平滑性を保つことができる材料で構成されていれば特に限定されない。たとえば、Ｓｉ単結晶、サファイア単結晶、ＳｒＴｉＯ_３単結晶、ＭｇＯ単結晶等から構成される単結晶基板；アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、マグネシア（ＭｇＯ）、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）、ステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）、ベリリア（ＢｅＯ）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化シリコン（ＳｉＣ）等から構成されるセラミック多結晶基板；１０００℃以下で焼成して得たアルミナ（結晶相）と酸化ケイ素（ガラス相）等からなるガラスセラミックス基板（ＬＴＣＣ基板）；石英ガラス等のガラス基板；Ｆｅ－Ｎｉ合金等から構成される金属基板が例示される。また、ニッケル（Ｎｉ）もしくは銅（Ｃｕ）からなる金属箔でも良い。このような金属箔は、後述する下部電極を兼ねることができ、薄膜コンデンサを電子回路基板に実装することが容易となる。したがって、これらを用いることで薄膜コンデンサの更なる薄膜化や、基板コストの削減に寄与できる。本実施形態では、基板表面の平滑性が良好なＳｉ単結晶を基板として用いる。

基板１０の厚みは、たとえば、１０μｍ～５０００μｍに設定される。金属箔を使用することで、より薄化やフレキシブル性に寄与できる。

上記の基板１０は、基板の材質によってその抵抗率が異なる。抵抗率が低い材料で基板を構成する場合、薄膜コンデンサの作動時に基板側への電流のリークが生じ、薄膜コンデンサの電気特性に影響を及ぼすことがある。そのため、基板１０の抵抗率が低い場合には、その表面に絶縁処理を施し、コンデンサ作動時の電流が基板１０へ流れないようにすることが好ましい。

たとえば、Ｓｉ単結晶を基板１０として使用する場合においては、基板１０の表面に絶縁層２０が形成されていることが好ましい。基板１０とコンデンサ部６０との絶縁が十分に確保されていれば、絶縁層２０を構成する材料およびその厚みは特に限定されない。本実施形態では、絶縁層２０を構成する材料として、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_ｘ等が例示される。また、絶縁層の厚みは、０．０１μｍ以上であることが好ましい。

（１．４．第１の電極）
図１に示すように、基板１０の上には、絶縁層２０を介して、下部電極３０が薄膜状に形成されている。下部電極３０は、後述する上部電極５０とともに誘電体膜４０を挟み、コンデンサとして機能させるための電極である。下部電極３０を構成する材料は、導電性を有する材料であれば特に制限されない。たとえば、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属、または、これらの合金；Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＳｉＣ等の半導体；ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ_２等の導電性金属酸化物が例示される。

第１の電極３０の厚みは、電極として機能する程度の厚みであれば特に制限されない。本実施形態では、厚みは０．０１μｍ以上であることが好ましい。

なお、基板と薄膜との密着性を向上させるために、薄膜を基板上に形成する前に、基板上に密着層を形成してもよい。密着層を形成するための材料は、基板と薄膜との密着性が向上する材料であれば、特に限定されない。本実施形態では、たとえば、チタン酸化物、クロム酸化物が例示される。

（１．５．第２の電極）
図１に示すように、誘電体膜４０の表面には、上部電極５０が薄膜状に形成されている。上部電極５０は、上述した下部電極３０とともに、誘電体膜４０を挟み、コンデンサとして機能させるための電極である。したがって、第２の電極５０は、第１の電極３０とは異なる極性を有している。

第２の電極５０を構成する材料は、第１の電極３０と同様に、導電性を有する材料であれば特に制限されない。たとえば、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属、または、これらの合金；Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＳｉＣ等の半導体；ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ_２等の導電性金属酸化物が例示される。

第２の電極５０の厚みは、第１の電極３０と同様に、電極として機能する程度の厚みであれば特に制限されない。本実施形態では、厚みは０．０１μｍ以上であることが好ましい。

（２．薄膜コンデンサの製造方法）
次に、図１に示す薄膜コンデンサ１００の製造方法の一例について以下に説明する。

まず、基板１０を準備する。基板１０として、たとえば、Ｓｉ単結晶基板を用いる場合、当該基板の一方の主面に絶縁層２０を形成する。絶縁層２０を形成する方法としては、熱酸化法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等の公知の成膜法を用いればよい。

続いて、形成された絶縁層上に、必要に応じて、公知の成膜法を用いて密着層を形成する。

密着層を形成する場合には、当該密着層上に、公知の成膜法を用いて第１の電極３０を形成する。

続いて、第１の電極３０上に、本実施形態に係る誘電体膜４０を形成する。本実施形態では、公知の成膜法により、誘電体膜４０を構成する材料を第１の電極３０上に薄膜状に堆積させた堆積膜としての誘電体膜４０を形成する。

公知の成膜法としては、たとえば、真空蒸着法、スパッタリング法、ＰＬＤ（パルスレーザー蒸着法）、ＭＯ－ＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＭＯＤ（有機金属分解法）、ゾルゲル法、ＣＳＤ（化学溶液堆積法）が例示される。本実施形態では、結晶配向性の制御、コスト等の観点から、スパッタリング法が好ましい。

なお、成膜時に使用する原料（蒸着材料、各種ターゲット材料、有機金属材料等）には微量の不純物、副成分等が含まれている場合があるが、所望の誘電特性が得られれば、特に問題はない。

特に、結晶の配向を制御するには、溶液法よりも気相成長法の方がより有効である。たとえば、スパッタリング法を用いる場合、所望の組成のターゲットを用いて、第１の電極上に誘電体膜を形成する。本実施形態では、スパッタリング時の成膜条件は以下のような条件とすることが好ましい。基板温度は高い方が好ましく、たとえば、好ましくは６５０℃以上１０００℃以下である。このような成膜条件を適宜組み合わせることにより、上述した回折ピークの強度比を上述した範囲とすることが容易となる。

次に、形成した誘電体膜４０上に、公知の成膜法を用いて第２の電極５０を形成する。

本実施形態では、第２の電極５０を形成した後に、アニール処理を行うことが好ましい。アニール処理条件としては、たとえば、アニール温度を４００～１０００℃で還元焼成すればよい。アニール処理を行うことにより複合酸化物を確実にペロブスカイト型構造とすることができる。還元焼成とは電極が酸化しない雰囲気下での焼成を意味する。電極が酸化しない雰囲気とは、酸素含有量が１％以下の雰囲気を意味する。具体的には、水素、窒素、水蒸気からなる混合ガスで作製できる雰囲気であったり、一酸化炭素と二酸化炭素の酸素の解離を利用して作製できる雰囲気である。または、１００Ｐａ以下の真空雰囲気であってもよい。

また、必要に応じてパッシベージョン層（保護層）を形成してもよい。パッシベーション層の材料としては、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等の無機材料、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の有機材料を用いることができる。

以上の工程を経て、図１に示すように、基板１０上に、コンデンサ部６０（第１の電極３０、誘電体膜４０および第２の電極５０）が形成された薄膜コンデンサ１００が得られる。なお、誘電体膜４０を保護する保護膜７０は、少なくとも誘電体膜４０が外部に露出している部分を覆うように公知の成膜法により形成すればよい。

（３．電子回路基板）
本実施形態に係る電子回路基板は、上記の誘電体膜を備える。電子回路基板は、上記の誘電体膜を含む薄膜コンデンサなどの電子部品を備えてもよい。薄膜コンデンサ等の電子部品は、電子回路基板の表面に設置されていてよい。薄膜コンデンサ等の電子部品は、電子回路基板内に埋め込まれていてもよい。電子回路基板に備えられる薄膜コンデンサは、基板および第１の電極（下部電極）として、金属箔を有していることが好ましい。

電子回路基板の一例は、図２中の（ａ）及び図２中の（ｂ）に示される。電子回路基板９０は、エポキシ系樹脂基板９２と、エポキシ系樹脂基板９２を覆う樹脂層９３と、樹脂層９３上に設置された薄膜コンデンサ９１と、樹脂層９３及び薄膜コンデンサ９１を覆う絶縁性被覆層９４と、絶縁性被覆層９４上に設置された電子部品９５と、複数の金属配線９６と、を備えてよい。少なくとも一部の金属配線９６は、エポキシ系樹脂基板９２又は絶縁性被覆層９４の表面に引き出されてよい。少なくとも一部の金属配線９６は、薄膜コンデンサ９１の取り出し電極５４、５６、又は電子部品９５に接続されていてよい。少なくとも一部の金属配線９６は、電子回路基板９０の表面から裏面に向かう方向において、電子回路基板９０を貫通していてよい。

図２中の（ｂ）に示すように、本実施形態に係る薄膜コンデンサ９１は、下部電極３０と、下部電極３０の表面に設けられた誘電体膜４０と、誘電体膜４０の上面の一部の上に設けられた第２の電極（上部電極５０）と、誘電体膜４０の他部を貫通して下部電極３０の表面に直接設けられた貫通電極５２と、上部電極５０、誘電体膜４０及び貫通電極５２を覆う絶縁性樹脂層５８と、絶縁性樹脂層５８を貫通して貫通電極５２の表面に直接設けられた取り出し電極５４、及び、絶縁性樹脂層５８を貫通して上部電極５０の表面に直接設けられた取り出し電極５６を備えていてよい。

電子回路基板９０は、以下の手順で製造されてよい。まず、エポキシ系樹脂基板９２の表面が未硬化樹脂層で覆われる。未硬化樹脂層は、樹脂層９３の前駆体である。薄膜コンデンサ９１の下地電極が未硬化樹脂層に面するように、薄膜コンデンサ９１が未硬化樹脂層の表面に設置される。未硬化樹脂層及び薄膜コンデンサ９１を絶縁性被覆層９４で覆うことにより、薄膜コンデンサ９１が、エポキシ系樹脂基板９２と絶縁性被覆層９４との間に挟み込まれる。未硬化樹脂層の熱硬化により、樹脂層９３が形成される。熱プレスにより、絶縁性被覆層９４が、エポキシ系樹脂基板９２、薄膜コンデンサ９１及び樹脂層９３へ圧着される。この積層型基板を貫通する複数のスルーホールが形成される。金属配線９６が各スルーホール内に形成される。金属配線９６の形成後、電子部品９５が絶縁性被覆層９４の表面に設置される。以上の方法により、薄膜コンデンサ９１が埋め込まれた電子回路基板９０が得られる。各金属配線９６は、Ｃｕ等の導電体からなっていてよい。未硬化樹脂層は、Ｂステージの熱硬化性樹脂（例えばエポキシ樹脂等）であってよい。Ｂステージの熱硬化性樹脂は、室温では完全には硬化されておらず、加熱により完全に硬化される。絶縁性被覆層９４は、エポキシ系樹脂、ポリテトラフルオロエチレン系樹脂又はポリイミド系樹脂等から形成されてよい。

（４．本実施形態のまとめ）
本実施形態では、成膜法により得られる誘電体膜の主成分として、ストロンチウムとカルシウムとチタンとの複合酸化物に着目している。

この複合酸化物において、ストロンチウムとカルシウムとのモル比、および、チタンに対するストロンチウムおよびカルシウムの合計とのモル比を上述した範囲内にする組成の最適化に加えて、誘電体膜の結晶配向性を制御することにより、複合酸化物の所定の回折ピーク強度比を所定の関係としている。その結果、誘電体膜の比誘電率を向上させ、リーク電流密度を低減し、かつ許容リップル電流を高くすることができる。

さらに、誘電体膜が、副成分としての所定の酸化物を含むことにより、特に、誘電損失を低減できる。また、副成分の酸化物の含有割合を上述した範囲内とすることにより、誘電損失をさらに低減できる。

（５．変形例）
上述した実施形態では、本実施形態に係る誘電体膜のみを有する誘電体素子（薄膜コンデンサ）を説明したが、本実施形態に係る誘電体素子は、本実施形態に係る誘電体膜と別の誘電体膜とを組み合わせた積層構造を有していてもよい。たとえば、既存のＳｉ_３Ｎ_ｘ、ＳｉＯ_ｘ、Ａｌ_２Ｏ_ｘ、ＺｒＯ_ｘ、Ｔａ_２Ｏ_ｘ等のアモルファス誘電体膜や結晶膜との積層構造とすることで、誘電体膜のインピーダンスや比誘電率の温度変化を調整することが可能となる。

また、本実施形態に係る誘電体膜と内部電極層とが積層された構造を有する積層キャパシタであってもよい。

また、上述した実施形態では、薄膜コンデンサは基板を有しているが、基板を有していなくてもよい。たとえば、第１の電極としての金属板上に、誘電体膜および第２の電極を形成して、薄膜コンデンサを形成してもよい。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の範囲内において種々の態様で改変しても良い。

以下、実施例および比較例を用いて、本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実験１）
まず、誘電体膜の形成に必要なターゲットを以下のようにして作製した。

ターゲットの原料粉末として、炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ_３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）および酸化チタン（ＴｉＯ_２）の各粉末を準備した。誘電体膜の組成が表１に示す組成となるように、これらの粉末を秤量した。

ボールミル中で水を溶媒として、秤量したターゲットの原料粉末の湿式混合を２０時間行った。得られた混合粉末スラリーを１００℃で乾燥させ、混合粉末を得た。得られた混合粉末を、プレス機によるプレス成形して成形体を得た。成形条件は、圧力を１００Ｐａ、温度を２５℃、プレス時間を３分とした。

その後、得られた成形体を焼成して焼結体を得た。焼成条件は、保持温度を１３００～１４００℃、温度保持時間を２～５時間、雰囲気を空気中とした。

得られた焼結体を、平面研削盤と円筒研磨機により直径２００ｍｍ、厚さ６ｍｍに加工して、誘電体膜を形成するためのターゲットを得た。

続いて、基板を準備した。基板は、表面に熱酸化処理により酸化膜（絶縁層）を形成したＳｉ単結晶基板を用いた。基板の寸法は５ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍであり、絶縁層の膜厚は０．５μｍであった。絶縁層の表面に、第１の電極としてＰｔ薄膜を、スパッタリング法により０．１μｍの厚さで形成した。

続いて、上記で作製したターゲットを用いて、スパッタリング法により第１の電極上に厚みが２００ｎｍとなるように誘電体膜を形成した。

成膜条件は、基板温度を表１に示す温度とし、成膜圧力を０．１Ｐａとした。また、第１の電極の一部を露出させるために、メタルマスクを使用して、誘電体膜が成膜されない領域を形成した。

次いで、得られた誘電体膜上に、スパッタリング法により第２の電極としてのＰｔ薄膜を形成した。第２の電極を形成した後、アニール温度を表１に示す温度で還元焼成を行い、図１に示す構成を有する薄膜コンデンサの試料（試料番号１～１５）を得た。

なお、誘電体膜の組成は、すべての試料について、ＸＲＦ（蛍光Ｘ線元素分析）を用いて分析を行い、表１に記載の組成と一致していることを確認した。また、誘電体膜の厚みは、薄膜コンデンサをＦＩＢで加工し、得られた断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察して測定した値とした。

得られたすべての薄膜コンデンサ試料について、比誘電率、誘電損失（ｔａｎδ）およびリーク電流密度を下記に示す方法により測定した。また、誘電体膜のＸＲＤ測定を下記に示す方法により行った。

比誘電率は、薄膜コンデンサ試料に対し、インピーダンスアナライザ（Ｅ４９８０Ａ）を用いて、室温２５℃、測定周波数１００ｋＨｚ（１Ｖｒｍｓ）の条件で測定された静電容量と、薄膜コンデンサ試料の電極寸法および電極間距離とから算出した。比誘電率は１８０以上であることが好ましい。結果を表１に示す。

誘電損失（ｔａｎδ）は、薄膜コンデンサ試料に対し、インピーダンスアナライザ（Ｅ４９８０Ａ）を用いて１００ｋＨｚにおいて測定した。誘電損失は３．０％以下であることが好ましい。結果を表１に示す。

リーク電流密度は、薄膜コンデンサ試料に対し、半導体パラメータアナライザＡｇｉｌｅｎｔ４３３９Ｂを用いて、室温２５℃、電界強度８００ｋＶ／ｃｍの条件下で測定した。本実施例では、リーク電流密度は２００Ａ／ｍｍ^２×１０^－８以下であることが好ましい。結果を表１に示す。

（ＸＲＤ測定）
誘電体膜に対してＸＲＤ測定を行い、Ｘ線回折チャートを得た。得られたＸ線回折チャートにおいて、ペロブスカイト構造を有する複合酸化物の（１，１，２）面の回折ピークの強度Ｉ_{（１１２）}と、（０，０，４）面の回折ピークの強度Ｉ_{（００４）}と、を算出し、Ｉ_{（１１２）}／Ｉ_{（００４）}を算出した。結果を表１に示す。

また、回折角２θが３２°～３４°の範囲内である回折ピークの強度Ｉ_１と、回折角２θが４６°～４８°の範囲内である回折ピークの強度Ｉ_２と、を算出し、Ｉ_１／Ｉ_２を算出した。結果を表１に示す。

ＸＲＤ測定では、Ｘ線源としてＣｕ－Ｋα線を用い、その測定条件は、電圧が４５ｋＶ、２θ＝２０°～９０°の範囲とした。

また、図２（ｂ）に示す薄膜コンデンサを作製し、以下のようにして許容リップル電流を測定した。サーモメータを用いて薄膜コンデンサの温度をモニターしながら、ファンクションジェネレータにより生成した交流電圧をアンプで２０倍に増幅して、薄膜コンデンサに印加した。薄膜コンデンサを通過した交流電圧の電流値をオシロスコープで測定し、交流電圧印加前から薄膜コンデンサの温度が２０℃上昇した時点での電流値を許容リップル電流とした。本実施例では、許容リップル電流は３００ｍＡ以上であることが好ましい。結果を表１に示す。

表１より、「ｘ」および「ｙ」の関係が上述した範囲内であり、かつ所定の回折ピーク強度比が上述した関係を満足する試料は、比誘電率が高く、誘電損失が低く、リーク電流密度が小さく、許容リップル電流が大きいことが確認できた。

一方、「ｘ」および「ｙ」の関係が上述した範囲外である試料は、比誘電率が低く、誘電損失が高いことが確認できた。また、「ｘ」および「ｙ」の関係が上述した範囲内であっても、所定の回折ピーク強度比が上述した関係を満足していない場合、リーク電流密度が大きいことが確認できた。

（実験２）
誘電体膜の組成が表２に示す組成となるように、ターゲットの原料粉末を秤量して、ターゲットを作製し、成膜時の基板温度および成膜後のアニール温度を表２に示す温度とした以外は、実験１と同じ方法により、薄膜コンデンサ試料を作製した。また、作製した薄膜コンデンサ試料に対して、実験１と同じ評価を行った。結果を表２に示す。

表２より、「ｘ」および「ｙ」の関係が上述した範囲内である場合には、比誘電率が高く、誘電損失が低く、リーク電流密度が小さく、許容リップル電流が大きいことが確認できた。

（実験３）
ターゲットの原料粉末として、酸化マンガン（ＭｎＯ）、酸化バナジウム（Ｖ_２Ｏ_５）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）および酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_３）の各粉末を準備した。これらの粉末は誘電体膜の副成分として含まれることになる。誘電体膜の組成が表３に示す組成となるように、ターゲットの原料粉末を秤量して、ターゲットを作製し、成膜時の基板温度および成膜後のアニール温度を表３に示す温度とした以外は、実験１と同じ方法により、薄膜コンデンサ試料を作製した。また、作製した薄膜コンデンサ試料に対して、実験１と同じ評価を行った。結果を表３に示す。

表３より、誘電体膜の副成分として、上述した成分が含まれることにより、さらに特性が向上することが確認できた。

本発明によれば、比誘電率の高く、リーク電流密度が低く、許容リップル電流が高い誘電体膜が得られる。このような薄膜の誘電体膜を有する誘電体素子は、小型かつ高性能なので、電子回路基板に実装される電子部品に好適である。

１００… 薄膜コンデンサ
１０… 基板
３０… 第１の電極
４０… 誘電体膜
５０… 第２の電極
９０… 電子回路基板
９１… 薄膜コンデンサ
３０… 下部電極
４０… 誘電体膜
５０… 上部電極
９２… エポキシ系樹脂基板
９３… 樹脂層
９４… 絶縁性被覆層
９５… 電子部品
９６… 金属配線

Claims (9)

1. 一般式（Ｓｒ_１－ｘＣａ_ｘ）_ｙＴｉＯ_３で表される複合酸化物を主成分として有する誘電体膜であって、
   ｘおよびｙが、０．４０≦ｘ≦０．９０、０．９０≦ｙ≦１．１０である関係を満足し、
   前記誘電体膜のＸ線回折チャートにおいて、前記複合酸化物の（０，０，４）面の回折ピーク強度に対する前記複合酸化物の（１，１，２）面の回折ピーク強度の比が３．００以上である誘電体膜。
2. 前記複合酸化物の（０，０，４）面の回折ピーク強度に対する前記複合酸化物の（１，１，２）面の回折ピーク強度の比が５．００以上である請求項１に記載の誘電体膜。
3. 一般式（Ｓｒ_１－ｘＣａ_ｘ）_ｙＴｉＯ_３で表される複合酸化物を主成分として有する誘電体膜であって、
   ｘおよびｙが、０．４０≦ｘ≦０．９０、０．９０≦ｙ≦１．１０である関係を満足し、
   Ｃｕ－Ｋα線をＸ線源とするＸ線回折測定により得られる前記誘電体膜のＸ線回折チャートにおいて、回折角２θが４６°以上４８°以下の範囲に現れる回折ピーク強度に対する回折角２θが３２°以上３４°以下の範囲に現れる回折ピーク強度の比が３．００以上である誘電体膜。
4. 回折角２θが４６°以上４８°以下の範囲に現れる回折ピーク強度に対する回折角２θが３２°以上３４°以下の範囲に現れる回折ピーク強度の比が５．００以上である請求項３に記載の誘電体膜。
5. 前記誘電体膜は、ＭｎＯ、Ｖ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３およびＮｂ_２Ｏ_５からなる群から選ばれる少なくとも１つを副成分として有する請求項１から４のいずれかに記載の誘電体膜。
6. 前記誘電体膜は、前記ＭｎＯを有し、前記複合酸化物１００モルに対して、前記ＭｎＯの含有量が０．０１０モル以上２．０００モル以下である請求項５に記載の誘電体膜。
7. 前記誘電体膜は、前記Ｖ_２Ｏ_５を有し、前記複合酸化物１００モルに対して、前記Ｖ_２Ｏ_５の含有量が０．０５０モル以上３．０００モル以下である請求項５または６に記載の誘電体膜。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の誘電体膜と、電極とを備える誘電体素子。
9. 請求項８に記載の誘電体素子が搭載されている電子回路基板。

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