JPH07283077A

JPH07283077A - 薄膜コンデンサ

Info

Publication number: JPH07283077A
Application number: JP6098179A
Authority: JP
Inventors: Michiya Arakawa; 美智也荒川; Toshikatsu Takada; 俊克高田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1994-04-11
Filing date: 1994-04-11
Publication date: 1995-10-27
Also published as: US5600532A

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】薄膜コンデンサの下部電極層の材質を最適化す
ることによって、絶縁基板上に形成された薄膜コンデン
サの耐熱性を向上する。【構成】絶縁基板１上に形成された下部電極層２と、こ
の下部電極層上に形成された薄膜誘電体層３と、この薄
膜誘電体層上に形成された上部電極層４とからなる薄膜
コンデンサにおいて、下部電極層のうち、少なくとも該
薄膜誘電体層と接する面をなす下部電極表面層が、６２
３Ｋ以上の再結晶温度を有する金属、１７８０Ｋ以上の
融点を有する金属、又は所定のＮｉ含有率を有するＮｉ
−Ｆｅ合金からなる薄膜コンデンサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、絶縁基板の表面に形成
した薄膜コンデンサに関し、特に、薄膜コンデンサの耐
熱性の向上を図るための下部電極層を有する薄膜コンデ
ンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の集積回路技術の発達により、集積
回路の高速動作のため動作周波数の上昇は著しい。それ
に伴いノイズによる集積回路の誤動作防止のため、デカ
ップリングコンデンサをセラミック基板等の絶縁基板に
装着、あるいは形成することが行われている。このコン
デンサには比較的大きい静電容量が要求されるにも拘わ
らず、絶縁基板自身は小型化をも要求されていること
や、コンデンサの特性の上からも、集積回路に近い絶縁
基板上にコンデンサを形成することが考えられている。

【０００３】この場合において、限られた面積中で静電
容量を大きくするために、誘電体層の厚みを薄くするこ
とが必要となり、スパッタリング法やＣＶＤ法、ゾル・
ゲル法、ＬＢ膜法等の薄膜形成技術により薄膜誘電体層
を形成することが行われる。これらの内、良く知られた
方法としては、特開昭５２−５３２５７号公報や特公昭
６０−５５９５７号公報等に開示されているように、絶
縁基板上にＴａ等の陽極酸化可能な金属をスパッタリン
グ等により薄膜形成し、その後、例えば０．１％濃度の
クエン酸溶液等を用いて陽極酸化することにより、Ｔａ
からなる下部電極とＴａ₂Ｏ₅からなる誘電体層を形成す
る。その上にスパッタリング等によりＴａ、Ａｌ等の金
属からなる上部電極を形成し、薄膜コンデンサとする手
法が挙げられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】かかる絶縁基板は、そ
の後にポリイミド等をキュアして絶縁層を形成したり、
半導体素子の装着（ダイアタッチ）や蓋体の封着等のた
めに、３００〜５００℃程度の熱的処理を受ける。従っ
て、絶縁基板上に形成された薄膜コンデンサにも耐熱性
が要求されることとなる。しかし、上記の従来の手法で
形成された薄膜コンデンサにおいては、例えば誘電体層
のＴａ₂Ｏ₅と下部電極のＴａが熱により拡散しあって、
導電性を示すようになる。薄膜誘電体は、その厚みが薄
いため、かかる変質によって薄膜誘電体層自身の絶縁性
が低下し、コンデンサとしての特性を十分果たせなくな
る。従って、拡散の生じない温度範囲である３００℃以
下の耐熱性しか得ることができなかった。

【０００５】かかる問題に対して、本願発明者はＴａ等
の拡散を防止ことを目的として、下部及び上部電極層に
Ｔａ₂Ｏ₅と拡散し合わないＣｕ、Ａｇ等を用いて、Ｔａ
₂Ｏ₅からなる薄膜誘電体層を形成し、コンデンサの耐熱
性を調査した。しかし、このようなコンデンサは、逆に
絶縁性が低下してしまって、短絡不良が生じるなどの不
具合が発生し、結果としてコンデンサとして耐熱性を向
上することができなかった。というのも、電極層のＣｕ
等の結晶が２００〜２５０℃程度で粒成長したため、Ｃ
ｕ等の原子が移動し、これと接している薄膜誘電体層に
損傷が生じたためである。また、ＣｕやＡｇなどは誘電
体層に比べて熱膨張係数も大きく、薄膜誘電体層との間
に熱応力が発生した影響も有ると思われた。

【０００６】しかも、この薄膜誘電体層の損傷は、特に
下部電極層の粒成長や熱応力により顕著に発生した。な
ぜならば、上部電極層には、誘電体層の欠陥によるコン
デンサの短絡不良の影響を少なくするため、小電極に分
割して形成したものを用いたからである。即ち、上部電
極層である小電極は電極の大きさが、下部電極層の大き
さよりも小さいため、薄膜誘電体層に対する電極層の結
晶粒成長や熱応力の影響に関して、下部電極層の方が大
きくなったためである。

【０００７】本発明はかかる問題点を解決するためにな
されたものであって、電極層、特に影響の大きい下部電
極層の材質を最適化することによって、絶縁基板上に形
成された薄膜コンデンサの耐熱性を向上することを目的
とする。

【課題を解決するための手段】

【０００８】しかして、その解決手段は、絶縁基板上に
形成された下部電極層と、該下部電極層上に形成された
薄膜誘電体層と、該薄膜誘電体層上に形成された上部電
極層とからなる薄膜コンデンサにおいて、該下部電極層
のうち、少なくとも該薄膜誘電体層と接する面をなす下
部電極表面層が、６２３Ｋ以上の再結晶温度を有する金
属からなることを特徴とする薄膜コンデンサである。ま
た他の解決手段は、絶縁基板上に形成された下部電極層
と、該下部電極層上に形成された薄膜誘電体層と、該薄
膜誘電体層上に形成された上部電極層とからなる薄膜コ
ンデンサにおいて、該下部電極層のうち、少なくとも該
薄膜誘電体層と接する面をなす下部電極表面層が、１７
８０Ｋ以上の融点を有する金属からなることを特徴とす
る薄膜コンデンサである。ここで、下部電極表面層が、
１３×１０^-6／Ｋ以下の熱膨張係数を有する金属からな
る場合には、更に高い耐熱性を得ることが出来る。

【０００９】また、具体的には、下部電極層のうち、少
なくとも薄膜誘電体層と接する面をなす下部電極表面層
が、Ｎｉを３０％以上含有するＮｉ−Ｆｅ合金からなる
場合には、適当なＮｉとＦｅの組成比を選択することに
より、熱膨張係数を適宜選択できて都合がよい。更に、
下部電極層のうち、下部電極表面層、およびこの下部電
極表面層と絶縁基板との間にあって下部電極表面層と接
する下部電極下地層が、Ｎｉを３０〜７０％含有するＮ
ｉ−Ｆｅ合金からなる場合には、５００℃以上の耐熱性
を得ることが可能となる。また、下部電極表面層が、Ｎ
ｉを４０〜７０％含有するＮｉ−Ｆｅ合金からなる場合
には、下部電極下地層の材質に拘わらず、５００℃以上
の耐熱性を得ることが出来る。

【００１０】

【作用】一般に、冷間加工を受けた結晶性材料を適当な
高温で焼きなますと、もとの結晶粒から新しい結晶粒が
生まれ、材料全体が新しい結晶粒で構成されるようにな
る現象は、いわゆる再結晶として知られており、この再
結晶の起こる下限温度は、再結晶温度Ｔｒと呼ばれる
（理化学辞典：岩波刊）。ところで、メッキやスパッタ
リング等により形成されたコンデンサの上下電極層を構
成する金属も、加熱により金属結晶粒が粒成長をするた
め、その粒成長を始める温度（以下、粒成長開始温度Ｔ
ｇという）は、この再結晶温度Ｔｒに近似した値となる
と考えて良い。

【００１１】ここで、再結晶温度Ｔｒは、その金属の融
点Ｔｍにほぼ比例すると考えられ、その目安としては、
絶対温度表現での融点Ｔｍの約３５〜５９％程度の温度
となることが知られている（金属組織学ｐ１１４〜１２
２：丸善刊）。従って、粒成長開始温度Ｔｇも、Ｔｒと
ほぼ同じ程度の値を持つと考えられる。例えば、融点Ｔ
ｍが１３５６ＫであるＣｕの再結晶温度Ｔｒ、即ち粒成
長開始温度Ｔｇは、およそ４７３〜５０３Ｋ（＝２００
〜２３０℃）であり、融点Ｔｍが１２３４ＫであるＡｇ
は、再結晶温度Ｔｒ従って粒成長開始温度Ｔｇはおよそ
４７０Ｋ（＝２００℃）以下である（同金属組織学；表
５・４）。一方、同表によれば、融点Ｔｍが１７２６Ｋ
であるＮｉでは、再結晶温度Ｔｒ即ち粒成長開始温度Ｔ
ｇはＴｍの４６〜５４％の８０３〜９３３Ｋ（＝５３０
〜６６０℃）程度とされ、融点Ｔｍが２０４２Ｋである
Ｐｔでは、同様にＴｇは７２３Ｋ（＝４５０℃）以下と
されている。

【００１２】従って、下部電極層のうち少なくとも薄膜
誘電体層と接する部分である下部電極表面層を、かかる
再結晶温度Ｔｒ即ち粒成長開始温度Ｔｇの高い材質で形
成すれば、結晶粒の成長の伴う原子の移動を防止し、あ
るいは低く抑えることが出来る。即ち、再結晶温度Ｔ
ｒ、従って粒成長開始温度Ｔｇが６２３Ｋ（＝３５０
℃）以上の値を持つ金属を下部電極表面層に使用すれ
ば、３５０℃を越える加熱によっても粒成長を起こさな
いか、あるいは起こしてもその程度は小さい。同様に、
１７８０Ｋ（＝１５０７℃）以上の高い融点Ｔｍを有す
る金属は、再結晶温度の金属種類によるばらつきを考慮
して、融点Ｔｍの３５％を取った場合でも、再結晶温度
Ｔｒ即ち粒成長開始温度Ｔｇが６２３Ｋ（＝３５０℃）
より高く、３５０℃を越える加熱によっても粒成長を起
こさないか、もしくは起こしてもその程度は小さい。

【００１３】更に、下部電極表面層が、１３×１０^-6／
℃以下の比較的低い熱膨張係数を有する金属からなる場
合には、加熱による熱膨張差によって、薄膜誘電体層と
の間に発生する熱応力をも低減できる。薄膜誘電体層
は、例えば、Ｔａ₂Ｏ₅やＳｉ₃Ｎ₄等の金属酸化物や窒化
物等からなり、一般的に金属よりも低い熱膨張係数を有
するからである。

【００１４】一方、下部電極層のうち少なくとも下部電
極表面層が、Ｎｉを３０％以上含有するＮｉ−Ｆｅ合金
からなる場合にも、高い融点、従って高い粒成長開始温
度を有しつつ、ＮｉやＦｅ単体よりも低い熱膨張係数を
持たせることができる。しかも、Ｎｉの含有率に応じて
熱膨張係数を大きく変化できるため、薄膜誘電体層や絶
縁基板、下部電極下地層の材質等に応じて、適当なＮｉ
含有率を選んで、コンデンサの耐熱性等を最適化でき
る。

【００１５】このうち、下部電極表面層及び下部電極下
地層が、Ｎｉを３０〜７０％含有するＮｉ−Ｆｅ合金か
らなる場合には、表面層と下地層間の熱応力をも小さく
できる。また、下部電極表面層が、Ｎｉを４０〜７０％
含有するＮｉ−Ｆｅ合金であること特徴とする場合に
は、表面層の熱膨張係数を低くして、薄膜誘電体層のそ
れに近づけることができる一方、極端に熱膨張係数が低
くならないため、下部電極下地層にＣｕ等の熱膨張係数
の高い材料を使用しても、この下地層との間の熱応力に
ついてもあまり大きくなることはない。

【００１６】

【実施例】以下、本発明について、図１〜４を参照しつ
つ、説明する。［実施例１］アルミナ９２％からなり、５０ｍｍ□×２
ｍｍ厚の絶縁セラミック基板１の一主面１ａ上全体に、
スパッタリングによりＴｉ(0.2μｍ厚)およびＣｕ(0.5
μｍ厚)からなる下部電極接続層２ａを形成して、更に
その上に、Ｃｕ(7μｍ厚)からなる下部電極下地層２ｂ
およびＮｉ(3μｍ厚)からなる下部電極表面層２ｃを電
解メッキにより形成して、２ａから２ｃの３層からなる
下部電極層２を形成する（図１参照）。

【００１７】ここで、下部電極接続層２ａは、絶縁基板
１との密着性の向上及び導電性を付与して電解メッキを
可能とするために設けられるものである。また、下部電
極下地層２ｂは、下部電極層全体の厚みを厚くするとと
もに、抵抗率の低い金属を使用することにより、コンデ
ンサの下部電極層２自身のもつ抵抗を低くして、コンデ
ンサの電気的特性を向上するために設けられるものであ
る。上記実施例においては、電極のインダクタンスの低
下をも図るため、低抵抗である上に、非磁性金属である
Ｃｕを用い、形成方法としては、厚みを厚くしやすい電
解メッキ法を用いた。下部電極表面層２ｃは、下部電極
下地層２ｂと接して形成されて下部電極２の表面部分を
なし、上記実施例においては、再結晶温度が高い金属、
即ち粒成長開始温度の高いＮｉを用いて構成されてい
る。

【００１８】尚、下部電極下地層２ｂ及び下部電極表面
層２ｃの厚みは、要求される下部電極層２の抵抗値や下
地層２ｂと表面層２ｃの材質等によって適宜決定され
る。本実施例においては、下地層２ｂに用いたＣｕの熱
膨張係数が比較的大きく、また厚い（７μｍ厚）ため、
表面層２ｃの厚みも厚め（３μｍ厚）にすることで、両
者の熱膨張差によって表面層２ｃにクラックが生じるの
を防止している。また、下地層２ｂ及び表面層２ｃを、
電解メッキにより形成することにより、絶縁基板１の表
面１ａ上に存在するポア、キズ等の欠陥を、メッキ粒子
が埋めるようにして成長するので、欠陥によって凹凸部
分のある基板に比べ、表面層２ｃの表面は平坦にされて
いる。

【００１９】ついで、下部電極層２上に反応性スパッタ
リングによりＴａ₂Ｏ₅(0.3μｍ厚)からなる薄膜誘電体
層３を形成する（図２参照）。更に、Ｍｏ(0.3μｍ厚)
及びＣｕ(0.5μｍ厚)からなる上部電極接続層４ａをス
パッタリングにより形成し、フォトリソグラフィー技術
により、開口部が1.27ｍｍ□の大きさで、隣接するパタ
ーンとの間隔が1.27ｍｍであるレジストパターンを形成
する。

【００２０】その後、この開口部にＣｕ(5μｍ厚)から
なる上部電極下地層４ｂおよびＮｉ(2μｍ厚)からなる
上部電極表面層４ｃを電解メッキにより形成して、４ａ
から４ｃの３層からなる上部電極層４とし、最後にレジ
ストを除去した上で、Ｍｏ−Ｃｕスッパッタリング膜の
うち不要部分をエッチングにより除去して、目的とする
薄膜コンデンサ１０を完成した（図３参照）。この場
合、上部電極層４が分割されているため、薄膜コンデン
サ１０としては、一枚の絶縁基板１上に縦１６ヶ、横１
６ヶの合計２５６個の小コンデンサが形成されたことと
なる。

【００２１】小コンデンサを形成する理由は、薄膜誘電
体層３若しくは下部電極層２に欠陥が存在すると、コン
デンサが短絡不良となり易く、１つのコンデンサに１ヶ
所でも欠陥が存在すれば、コンデンサ全体が短絡状態と
なってしまうため、コンデンサの歩留りが低下する。そ
こで、上部電極を分割して小コンデンサをいくつも製作
し、欠陥のない良好なコンデンサのみを選択・結合し
て、所望の静電容量を有するコンデンサを構成すること
により、信頼性や歩留りの向上を図るためである。

【００２２】ここで、上部電極接続層４ａは、薄膜誘電
体層３との密着性の向上及び導電性を付与して電解メッ
キを可能とするために設けられるものである。上部電極
下地層４ｂは、下部電極下地層２ｂと同様に上部電極層
４全体の厚みを厚くするとともに、抵抗率の低い金属を
使用することにより、コンデンサの上部電極層４自身の
もつ抵抗を低くして、コンデンサの電気的特性を向上す
るために設けられるものである。一方、上部電極表面層
４ｃは、下部電極表面層２ｃとは異なり、薄膜誘電体層
との関係を考慮する必要は少なく、むしろ、上部電極層
４の酸化を防止するため、及びＭｏ−Ｃｕのスパッタリ
ング膜を選択的にエッチングするためにＮｉを用いたも
のである。以上から判るように、本実施例では、上部電
極下地層４ｂや上部電極表面層４ｃは、下部電極層２に
比べて大きさが小さいので、これらの材質の粒成長開始
温度や熱膨張係数の大きさは、下部電極層２に比較して
問題となりにくい。

【００２３】その他、上記と同様にして、下部電極表面
層２ｃの材質のみをＰｔ、Ｎｉ−Ｗ合金（Ｎｉ＝６０
％）とした薄膜コンデンサについても製作し試料とし
た。また、比較例として、下部電極表面層２ｃの材質の
みを、Ｃｕ、Ａｇとした場合についても試料を製作し
た。尚、上記Ｎｉメッキ及びＮｉ−Ｗ合金メッキにおい
ては、その成分であるＮｉに不可避的に含有される不純
物としてＣｏが数％含有されている。

【００２４】次に、完成した薄膜コンデンサ１０の耐熱
性を以下の方法により調査した。まず、上記により完成
した薄膜コンデンサ１０の下部電極層２を共通電極と
し、小電極に分割された上部電極層４それぞれとの間
で、絶縁抵抗を測定するとともに、電極の剥がれ等を外
観検査し、良好なコンデンサを選択しておく。次いで、
薄膜コンデンサ１０をオーブンに入れて、図４に示す温
度スケジュールにて、最高温度が３５０℃の加熱を行
い、下記する検査を行った後に、５００℃の加熱の合計
２種類を行う。

【００２５】尚、ここで最高温度を３５０℃としたの
は、半導体素子をＡｕ−Ｓｎはんだでダイアタッチする
場合、エポキシ樹脂をキュアして絶縁層を形成する場合
や基板を電子機器へ装着する時のはんだ付け温度を想定
したためである。一方、最高温度を５００℃としたの
は、薄膜コンデンサ１０を形成した後に、薄膜コンデン
サ１０の上や絶縁基板１の裏面１ｂなどに、ポリイミド
やガラス等の絶縁層等を形成して多層配線基板等を製造
する場合のキュア工程や焼き付け工程などにおいて加え
られる温度や、Ａｕ−Ｇｅ、Ａｕ−Ｓｉロウでダイアタ
ッチを行う場合を想定したものである。

【００２６】３５０℃及び５００℃の各加熱後、試料を
取り出して、試験前には良好であった薄膜コンデンサに
ついて、上記と同様に、薄膜コンデンサ１０の絶縁抵抗
及び剥がれ等の有無を検査した。ここで、絶縁抵抗につ
いては、試験の前後共に、２５Ｖ、３秒で、３０ＭΩ以
上の絶縁抵抗であることを合格の条件とし、コンデンサ
の外観については、電極や誘電体層の「剥がれ」や「ふ
くれ」等の観察されないことを、合格の条件とした。

【００２７】最高温度が３５０℃の場合の結果を表１の
試料番号１から５に示す。尚、本試料においては、小コ
ンデンサは２５６ヶ作成されたのであるが、基板等の欠
陥により耐熱調査の前から短絡等しているコンデンサが
あったので、試料数は、２２０ヶ前後となった。

【表１】表１より、下部電極表面層２ｃの材質が、再結晶温度Ｔ
ｒが３５０℃以上である試料番号１〜３の場合、及び１
７８０Ｋ以上の融点Ｔｍを持つ金属からなる試料番号２
及び３については、比較例としてＣｕやＡｇを用いた番
号４、５の試料と異なり、絶縁抵抗及び外観とも良好で
あり、３５０℃程度の加熱に耐えられることが判る。こ
れは、再結晶温度Ｔｒが高い金属は、同様な値を持つと
考えられる粒成長開始温度Ｔｇが高いこと、あるいは融
点Ｔｍの高い金属は、再結晶温度Ｔｒも粒成長開始温度
Ｔｇも高いことによるものである。例えばＮｉの場合、
再結晶温度Ｔｒが５３０〜６６０℃であるため、粒成長
開始温度Ｔｇも同様な値を持つ。従って、３５０℃程度
の加熱では、粒成長は起こらないかあるいはその程度が
小さく、薄膜誘電体層３を損傷するまでには至らないた
めと考えられる。

【００２８】一方、試料番号２のＰｔの場合は、融点Ｔ
ｍが高く、再結晶温度Ｔｒが４５０℃以下と高いので、
やはり、３５０℃程度の加熱では、粒成長は起こらない
かあるいはその程度が小さく、薄膜誘電体層３を損傷す
るまでには至らないためと考えられる。このことは、試
料番号３のＮｉ−Ｗ合金の場合でも同じである。

【００２９】同様に、最高温度が５００℃の場合の結果
を表２に示す。

【表２】表２においては、上記表１の場合と若干異なり、Ｎｉを
用いた試料番号１の場合には、不具合が生じている。こ
れは、Ｎｉの再結晶温度ＴｒはＰｔの場合よりも高いも
のの、Ｎｉの熱膨張係数が、１３×１０^-6／℃以上と大
きいため、加熱により薄膜誘電体層３のＴａ₂Ｏ₅との熱
膨張差が大きくなって、結果として薄膜誘電体層３に損
傷が生じたためと考えられる。

【００３０】一方、表面層２ｃにＰｔを用いた試料番号
２の場合には、再結晶温度Ｔｒ（４５０℃以下）を越え
た５００℃の加熱がなされているが、加熱した５００℃
とＰｔの再結晶温度Ｔｒとの温度差が小さい上に、表面
層２ｃの熱膨張係数が１３×１０^-6／℃以下であるた
め、薄膜誘電体層３との熱膨張差がそれほど大きくなら
ず、不具合が生じなかったと考えられる。同様に、Ｎｉ
−Ｗ合金を用いた試料番号３の場合には、再結晶温度Ｔ
ｒは明確でないが、Ｎｉ及びＷ共に再結晶温度Ｔｒが高
い（Ｎｉ：５３０〜６６０℃、Ｗ：１２００℃以下）た
め、Ｎｉ−Ｗ合金の再結晶温度Ｔｒも高いことが予想さ
れる。しかも、融点Ｔｍも、１７８３Ｋ（＝１５１０
℃）と高いので、５００℃の加熱によって再結晶は起こ
らない、あるいは起こりにくいと考えられる。その上、
Ｎｉ−Ｗ合金の熱膨張係数はかなり低いので、薄膜誘電
体層３との熱膨張差がそれほど大きくならず、不具合が
生じなかったと考えられる。

【００３１】従って、表面層２ｃにＮｉなどを用いた場
合、コンデンサ完成後に、３５０℃程度の加熱ならば耐
えられる。特に、Ｎｉは安価であり、酸化しにくいため
下部電極層形成後、薄膜誘電体層を形成するまでの間の
取り扱いも容易となる。一方、５００℃程度の加熱に耐
えるためには、Ｐｔ、Ｎｉ−Ｗ合金等を用いる必要があ
り、このうちＰｔは、価格は高いが、非磁性であり電極
等の持つインダクタンスを低減できる点で有利である。
更に、上記実施例では調査しなかったが、その他の金属
として、Ｎｉ−Ｍｏ、Ｐｄ、Ｃｒ、これらの合金等を用
いても良い。Ｐｄは、若干高価であるが、酸化しない利
点がある。またＣｒは硬い電極が得られるが、均一なメ
ッキが得にくく、膜厚が１μｍ程度より厚くなると割れ
を生じる場合がある。下部電極表面層の材質をどのよう
なものとするかは、要求されるコンデンサの特性や価
格、下部電極下地層の材質等を勘案して、適宜選択すれ
ば良い。

【００３２】ここで、熱膨張係数は、表１及び２では原
則として０〜１００℃の範囲の熱膨張係数（平均値）を
表示した。というのは、０〜３５０℃または０〜５００
℃の場合の値は、使用した金属について明確に示された
文献等が見あたらないこと。及び、一般的に熱膨張曲線
は、直線的あるいは指数関数的に単調に増加するため、
０〜１００℃において、大きな熱膨張係数を有する材料
は、３５０℃または５００℃までの温度範囲でも、大き
な熱膨張係数を有するであろうことは、十分推測できる
からである。従って、本発明においては、熱膨張係数と
しては、０〜１００℃の熱膨張係数を用いることとす
る。

【００３３】［実施例２］ところで、Ｎｉ−Ｆｅ合金に
ついては、Ｎｉの含有量により熱膨張係数が大きく変化
できる性質（図５参照：Ｎｉ−Ｆｅ合金の熱膨張係数；
技術評論社刊、「続一歩先をいく機械材料選び」より引
用）が知られている。そこで、前記実施例１と同様な薄
膜コンデンサにおいて、下部電極下地層２ｂの材質をＣ
ｕからＮｉ−Ｆｅ合金に変更し、下部電極表面層２ｃの
材質と同じとして、即ち、Ｃｕからなる下地層２ｂを形
成することなく、Ｎｉの含有量を適宜変化したＮｉ−Ｆ
ｅ合金を用いて、厚さ１０μｍの表面層２ｃを電解メッ
キにより形成して、薄膜コンデンサ１０を製作した。そ
の後、前記実施例１と同様な方法によって、薄膜コンデ
ンサ１０の耐熱性を調査した。尚、Ｎｉ−Ｆｅ合金につ
いて、各組成における融点を確認することが出来なかっ
た。しかし、融点ＴｍはＮｉ（１７２６Ｋ）及びＦｅ
（１８１０Ｋ）にたいして、さほど異ならないと思わ
れ、粒成長開始温度ＴｇもＮｉの場合の５３０〜６６０
℃と同程度と考えられる。

【００３４】最高温度が３５０℃及び５００℃の場合の
結果を表３に示す。

【表３】表３から判るように、Ｎｉ−Ｆｅ合金のＮｉ含有量が３
０％以上の場合には、これを用いた薄膜コンデンサは、
３５０℃以上の耐熱性を有することが判る。これは、前
述のようにＮｉ−Ｆｅ合金の粒成長温度Ｔｒが６００℃
程度であろうこと、及び熱膨張係数が低いことのためと
考えられる。尚、Ｎｉ含有量が２５％以下の場合には、
合金の結晶構造がマルテンサイト構造に変化して、熱膨
張係数が大きくなるので、クラックが発生したと思われ
る。

【００３５】更に表３によれば、Ｎｉ−Ｆｅ合金のＮｉ
含有量が３０〜７０％の場合には、最高温度が５００℃
の場合にも耐えられる耐熱性を有していることが判る。
これは、Ｎｉ含有量が７０％を越える場合には、熱膨張
係数がＮｉに近づくために、薄膜誘電体層３と熱膨張差
が大きくなるからであり、７０％以下であれば、このよ
うな熱膨張差が許容できる範囲内あるためと考えられ
る。従って、このような組成を持つＮｉ−Ｆｅ合金を用
いれば、５００℃以上の耐熱性を有する薄膜コンデンサ
を安価に形成することが可能となる。尚、本実施例で
は、下地層２ｂとして、表面層２ｃと同一材質のＮｉ−
Ｆｅ合金を使用し、結局、下地層と表面層の区別無く、
一つの層（表面層）を形成したが、下地層２ｂと表面層
２ｃを各々適当な組成のＮｉ−Ｆｅ合金を用いて構成し
ても良い。このような場合にも両者間に発生する熱応力
は、それほど大きくはならず、しかも、薄膜誘電体層３
との間の熱膨張差の小さくできるからである。

【００３６】［実施例３］更に、Ｎｉ−Ｆｅ合金につい
て、下部電極下地層２ｂとの関係について検討するた
め、前記実施例１と同様な薄膜コンデンサにおいて、下
部電極下地層２ｂを実施例１と同様に７μｍ厚のＣｕメ
ッキ層とし、下部電極表面層２ｃの材質を、Ｎｉの含有
量を適宜変化したＮｉ−Ｆｅ合金を用いて薄膜コンデン
サ１０を製作し、前記実施例１と同様な方法によって、
薄膜コンデンサ１０の耐熱性を調査した。

【００３７】最高温度が３５０℃及び５００℃の場合の
結果を表４に示す。

【表４】表４を見ると、３５０℃の加熱の場合には、Ｎｉ含有量
が３０％以上であれば、良好な耐熱性を有している。こ
れは、実施例２と同様に、Ｎｉ−Ｆｅ合金が、粒成長を
起こさず、その上比較的低い熱膨張係数を有しているた
め、薄膜誘電体層３との熱膨張差があまり大きくならな
いためであると考えられる。

【００３８】また、表４から、５００℃の加熱の場合に
は、更に狭いＮｉ含有量が４０〜７０％の範囲で、良好
な結果が得られることを示している。これは、薄膜誘電
体層３及び下部電極下地層２ｂの両者に対して、下部電
極表面層２ｃが適切な熱膨張係数を有していたためであ
ると考えられる。即ち、Ｎｉ含有量が３５％程度の場合
には、図５からも判るように、熱膨張係数の極端に低下
する領域に該当する。従って、薄膜誘電体層３との熱膨
張差に関しては問題ないが、Ｃｕからなる下地層２ｂと
の熱膨張差が大きくなる。このため、両者の厚み等の関
係によって、下地層２ｂと表面層２ｃとの間に、クラッ
クを生じたものと考えられる。これは、Ｎｉ含有率が３
５％の試料番号２３では、すべて不良となったのに対
し、Ｎｉ含有量３０％の試料番号２４では、ある程度の
歩留りを有していることからも理解できる。

【００３９】以上より、実施例２及び３の結果、表３及
び表４を総合すると。以下のようになる。即ち、表面層
２ｃにＮｉ−Ｆｅ合金を使用する場合、３５０℃の加熱
では、Ｎｉ含有量が３０％以上あれば良い。一方、５０
０℃の加熱では、Ｎｉ含有量が４０％未満及び、７０％
を越える場合には、下部電極層にクラックが生じること
がある。しかし、Ｎｉ含有量が４０〜７０％の場合に
は、下地層２ｂの材質に拘わらず、５００℃以上の耐熱
性が得られ、３０〜７０％の領域では、下地層２ｂの熱
膨張係数が表面層２ｃと同じあるい近似している場合に
は、５００℃の耐熱性が得られることが判る。

【００４０】Ｎｉ−Ｆｅ合金は、価格も安く、メッキ層
（下部電極表面層）も均一に形成できるうえ、熱膨張係
数を、薄膜誘電体層の種類や厚み、下部電極下地層の材
質等に応じて組成や厚みを変化することができる。従っ
て、特に本発明の下部電極表面層として適当である。
尚、本実施例の場合も、前記と同様に、Ｎｉ−Ｆｅ合金
のうちＮｉ成分については、不純物としてＣｏが数％存
在している。従って、ここに言う、Ｎｉの含有量（重量
比）には、Ｃｏを含めた場合の比率を指す。

【００４１】［実施例４］更に、薄膜誘電体３を、Ｔａ
₂Ｏ₅に代えてＴｉＯ₂及びＳｒＴｉＯ₃を反応性スパッタ
リングにより形成した場合について、下部電極表面層２
ｃをＮｉ−Ｆｅ合金（Ｎｉ５０％）とし、前記実施例１
と同様な手法により薄膜コンデンサ１０を形成し耐熱性
を調査した（試料番号２７、２８）。また、ＴｉＯ₂及
びＳｒＴｉＯ₃を誘電体として用い、実施例１の比較例
（番号４）と同様に下部電極表面層２ｃにＣｕを用いた
場合についても製作し調査した（試料番号２９、３
０）。その結果を表５に示す。

【表５】表５の結果より明らかなように、薄膜誘電体としてＴａ
₂Ｏ₅の他に、ＴｉＯ₂及びＳｉＴｉＯ₃を用いた場合であ
っても、下部電極表面層にＣｕ等の再結晶温度Ｔｒの低
い金属の代えて、Ｎｉ−Ｆｅ合金のようなＴｒの高い金
属を用いることによって粒成長を防止し、更に薄膜誘電
体層との熱膨張差を低減して耐熱性を高めることが出来
る。

【００４２】尚、使用できる薄膜誘電体は、上記３種に
限らず種々のものを使用することができ、例えばＳｉＯ
₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、(Ｓｒ,Ｂｒ)ＴｉＯ₃等が挙げられる。こ
れらの内、Ｔａ₂Ｏ₅、ＴｉＯ₂、ＳｒＴｉＯ₃及び(Ｓｒ,
Ｂｒ)ＴｉＯ₃は、比較的誘電率が高いので、大容量コン
デンサ用として有利である。このうち、ＳｒＴｉＯ₃及
び(Ｓｒ,Ｂｒ)ＴｉＯ₃は、特に誘電率が高い。また例え
ば、Ｔａ₂Ｏ₅は＋２５０ｐｐｍ／℃程度の正の容量温度
係数を持ち、一方、ＴｉＯ₂は−７００ｐｐｍ／℃、Ｓ
ｒＴｉＯ₃は−３０００ｐｐｍ／℃程度の負の容量温度
係数を持つので、要求されるコンデンサの特性や製法等
に応じて、適当な誘電体材料を選択すればよい。例え
ば、半導体素子等を動作させると、発生した熱が伝わっ
てコンデンサ１０の温度も上昇する。従って、半導体素
子が動作している状態の方がコンデンサ１０の静電容量
が高くなるＴａ₂Ｏ₅は、ノイズ除去用のデカップリング
コンデンサとして好ましい。

【００４３】その他、上記各実施例では、下部電極下地
層２ｂや下部電極表面層２ｃ、上部電極下地層４ｂや上
部電極表面層４ｃは、電解メッキによって形成したが、
その他の手段、例えば、蒸着やスパッタリング、ＣＶＤ
等の手段によっても良く、また、無電解メッキによって
形成しても良い。電解メッキによれば、処理が容易で、
簡単な装置で大量生産に適する。また無電解メッキとす
れば、電気的に独立（絶縁）したパターン上にも電極が
形成できる利点がある。更に、電解、無電解メッキ共
に、厚みを増すことが容易であるうえ、絶縁基板にポア
やキズ等の欠陥による段差が有る場合に、段差を埋めて
なだらかにするようにしてメッキ層が成長するレベリン
グ特性を有するので、絶縁基板の欠陥に起因して、上下
電極層が接触したり、異常に近接したりするために生ず
る、コンデンサの短絡不良を低減できる効果を有する。
従って、少なくとも下部電極表面層をメッキ法により形
成するれば、メッキのレベリング特性により、絶縁基板
のキズ等に起因する短絡不良等を低減し、更にコンデン
サの絶縁性や歩留り等を向上することが可能である。

【００４４】一方、スパッタリング等の手段によれば、
各層の厚みを厚くするのは困難であるが、ガラス基板の
ように絶縁基板の表面の欠陥が少ない場合若しくは小さ
い場合には、下部電極２の形成に続けて、誘電体層３及
び上部電極４を形成できるので、結果としてコストを低
下できる利点がある。

【００４５】また、下部電極接続層２ａや上部電極接続
層４ａは、上記実施例では、スパッタリングにより設け
たが、蒸着、ＣＶＤ等の手段を用いても良く、また無電
解メッキのための活性化処理として、例えば、ＰｄＣｌ
等の溶液を適用することによって代用しても良い。

【００４６】また、上記各実施例においては、絶縁基板
１は、アルミナ製のセラミック基板を用いたが、耐熱性
を有する絶縁基板であれば、アルミナに限定されるもの
ではなく、例えば、ＡｌＮ、ムライト、ガラスセラミッ
ク、炭化珪素、フォルステライトやガラス等を用いたセ
ラミック基板でも良い。尚、この内で、ＡｌＮ、ムライ
ト、ガラスセラミック、炭化珪素等は熱膨張係数がアル
ミナより小さいため、下部電極下地層２ｂにＣｕ等を用
いても良いが、要求される耐熱温度によっては、電極の
抵抗値等に留意しつつＮｉ−Ｆｅ合金を用いる等、適宜
材質を変更して用いればよい。

【００４７】なお、本発明においては、下部電極表面層
２ｃについてのみ、ＰｔやＮｉ−Ｆｅ合金等を用いた
が、同様に上部電極層４において、薄膜誘電体層３に近
接して形成される上部電極下地層４ｂについても、上記
と同様にＰｔやなＮｉ−Ｆｅ合金等を用いれば、更に誘
電体層３の損傷を防止できることは明らかである。これ
は、特に上部電極を分割しない場合や、分割した小電極
の大きさが大きい場合に有効である。また、上記実施例
において挙げたＰｔ，Ｎｉ−Ｗ合金、Ｎｉ−Ｆｅ合金の
他、Ｎｉ−Ｆｅ合金にＣｏやＣｒを第３成分として添加
した、コバール(29Ni-17Co-Fe)に代表されるＦｅ−Ｎｉ
−Ｃｏ合金や、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金等を用いても良
い。これらの合金場合にも、低熱膨張率が得られ、その
組成の変化によってその値を変化できるからである。但
し、メッキによって電極層を構成する場合には、構成成
分が多いほどメッキ液の管理・制御難しくなる嫌いがあ
り、電極の特性等を考慮して、適宜選択すれば良い。

【００４８】

【効果】以上より明らかなように、本発明によれば、再
結晶温度Ｔｒ又は融点Ｔｍの高い金属からなる下部電極
表面層を用いることで、加熱時の下部電極表面層の粒成
長を防止して、加熱しても下部電極表面層の粒成長に伴
う原子の移動による薄膜誘電体層の損傷を防ぎ、もって
耐熱性の高い薄膜コンデンサを形成することが出来る。
更に、下部電極表面層に熱膨張係数の低い金属を用いる
ことによって、薄膜誘電体層との熱膨張差を低減し、よ
り高い耐熱性を持たせることもできる。

【００４９】また、下部電極表面層が、Ｎｉを３０％以
上含有するＮｉ−Ｆｅ合金からなる場合には、薄膜誘電
体層や絶縁基板等の材質に応じて、適当なＮｉ含有率を
選んで、コンデンサの耐熱性等を最適化でき、しかも安
価とすることが出来る。下部電極表面層及び下部電極下
地層が、Ｎｉを３０〜７０％含有するＮｉ−Ｆｅ合金か
らなる場合には、薄膜誘電体層との熱応力を低減できる
上、表面層と下地層の間の熱応力が発生しないかあるい
は小さくできるので、更に高い５００℃以上の耐熱性を
得ることが可能となる。また、下部電極表面層が、Ｎｉ
を４０〜７０％含有するＮｉ−Ｆｅ合金の場合には、下
部電極下地層の材質に拘わらず、５００℃以上の耐熱性
を得ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】絶縁基板に下部電極層２を形成した状態を示す
断面図である。

【図２】図１の下部電極層上に薄膜誘電体層３を形成し
た状態を示す断面図である。

【図３】図２の薄膜誘電体層３上に上部電極層を形成し
た状態を示す断面図である。

【図４】耐熱性を調査するためのオーブン温度の加熱ス
ケジュールを示すグラフである。

【図５】Ｎｉ−Ｆｅ合金のＮｉ含有量による熱膨張係数
の変化を示すグラフである。

【符号の説明】

１．絶縁基板２．下部電極層２ａ．下部電極接続層２ｂ．下部電極下地層２ｃ．下部電極表面層３．薄膜誘電体層４．上部電極層４ａ．上部電極接続層４ｂ．上部電極下地層４ｃ．上部電極表面層１０．薄膜コンデンサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁基板上に形成された下部電極層と、該
下部電極層上に形成された薄膜誘電体層と、該薄膜誘電
体層上に形成された上部電極層とからなる薄膜コンデン
サにおいて、該下部電極層のうち、少なくとも該薄膜誘
電体層と接する面をなす下部電極表面層が、６２３Ｋ以
上の再結晶温度を有する金属からなることを特徴とする
薄膜コンデンサ。
【請求項２】絶縁基板上に形成された下部電極層と、該
下部電極層上に形成された薄膜誘電体層と、該薄膜誘電
体層上に形成された上部電極層とからなる薄膜コンデン
サにおいて、該下部電極層のうち、少なくとも該薄膜誘
電体層と接する面をなす下部電極表面層が、１７８０Ｋ
以上の融点を有する金属からなることを特徴とする薄膜
コンデンサ。
【請求項３】前記下部電極表面層が、１３×１０^-6／Ｋ
以下の熱膨張係数を有する金属からなることを特徴とす
る請求項１または２に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項４】絶縁基板上に形成された下部電極層と、該
下部電極層上に形成された薄膜誘電体層と、該薄膜誘電
体層上に形成された上部電極層とからなる薄膜コンデン
サにおいて、該下部電極層のうち、少なくとも該薄膜誘
電体層と接する面をなす下部電極表面層が、Ｎｉを３０
％以上含有するＮｉ−Ｆｅ合金からなることを特徴とす
る薄膜コンデンサ。
【請求項５】前記下部電極層のうち、前記下部電極表面
層、および該下部電極表面層と前記絶縁基板との間にあ
って該下部電極表面層と接する下部電極下地層が、Ｎｉ
を３０〜７０％含有するＮｉ−Ｆｅ合金からなることを
特徴とする請求項４に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項６】前記下部電極表面層が、Ｎｉを４０〜７０
％含有するＮｉ−Ｆｅ合金からなること特徴とする請求
項４に記載の薄膜コンデンサ。