KR102360749B1

KR102360749B1 - 유전체막 및 전자 부품

Info

Publication number: KR102360749B1
Application number: KR1020200035607A
Authority: KR
Inventors: 유스케 오바; 라이타로우 마사오카; 쇼헤이 후지이; 마이코 시로카와
Original assignee: 티디케이가부시기가이샤
Priority date: 2019-03-26
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2022-02-09
Also published as: DE102020108427A1; CN111747730A; TW202035333A; JP2020158344A; US20200312558A1; KR20200115249A; US11201013B2; JP7172791B2

Abstract

일반식 xAO-yBO-zC₂O₅로 표시되는 복합 산화물을 주성분으로서 포함하는 유전체막으로서, A는, 바륨, 칼슘 및 스트론튬으로부터 선택되는 적어도 하나이며, B는, 마그네슘 및 아연으로부터 선택되는 적어도 하나이며, C는, 니오브 및 탄탈로부터 선택되는 적어도 하나이며, x, y 및 z는, x+y+z=1.000, 0.375≤x≤0.563, 0.250≤y≤0.500, x/3≤z≤(x/3)+1/9인 관계를 만족하고, 유전체막의 X선 회절 차트에 있어서, 복합 산화물의 (110)면의 회절 피크의 반치 전폭이 0.40° 이상인 유전체막이다.

Description

유전체막 및 전자 부품{DIELECTRIC FILM AND ELECTRONIC COMPONENT}

본 발명은, 유전체막 및 전자 부품에 관한 것이다.

최근, 스마트 폰으로 대표되는 이동 통신 기기에 있어서, 고속으로 대용량의 통신을 가능하게 하기 위해서, 사용하는 주파수 영역의 수가 증가하고 있다. 사용하는 주파수 영역은 GHz대와 같은 고주파 영역이다. 이러한 고주파 영역에 있어서 작동하는 밸룬, 커플러, 필터, 혹은, 필터를 조합한 듀프렉서, 다이플렉서 등의 고주파 부품 중에는, 유전체 재료를 공진기로서 이용하고 있는 것이 있다. 이러한 유전체 재료에는, 고주파 영역에 있어서, 유전 손실이 작고, 주파수의 선택성이 양호한 것이 요구된다.

유전 손실의 역수는, 품질 계수 Q값으로서 나타낼 수 있으므로, 바꾸어 말하면, 고주파 영역에 있어서 품질 계수 Q값이 높은 유전체 재료가 요망되고 있다.

특허문헌 1에는, 화학량론 조성인 Ba(Mg_1/3Ta_2/3)O₃로부터 벗어난 조성을 가지는 유전체 자기가 개시되고, 이 유전체 자기의 10GHZ에 있어서의 Q값이 40000 이상인 것이 개시되어 있다.

일본국 특허공개 평 8-319162호 공보

그러나, 특허문헌 1에 개시된 유전체 자기는 소결체이기 때문에, 특허문헌 1에 개시된 유전 특성을 나타내려면, 충분한 체적을 가지는 소결체로 할 필요가 있다. 따라서, 고주파 영역에 있어서 사용되는 고주파 부품에 적용되는 유전체 재료로서는 사이즈가 너무 크다는 문제가 있었다.

또, 고주파 부품에 적용되는 유전체 재료의 사이즈를 작게 했을 경우, 즉, 유전체 재료의 두께를 얇게 했을 경우, 절연 파괴 전압이 저하하는 경향이 있었다. 절연 파괴 전압이 저하하면, 리크 전류가 증가한다는 문제가 있었다.

본 발명은, 이러한 실상을 감안하여 이루어지며, 박막이어도, 절연 파괴 전압이 높은 유전체막을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 양태는,

[1] 일반식 xAO-yBO-zC₂O₅로 표시되는 복합 산화물을 주성분으로서 포함하는 유전체막으로서,

A는, 바륨, 칼슘 및 스트론튬으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나이며,

B는, 마그네슘 및 아연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나이며,

C는, 니오브 및 탄탈로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나이며,

x, y 및 z는, x+y+z=1.000, 0.375≤x≤0.563, 0.250≤y≤0.500, x/3≤z≤(x/3)+1/9인 관계를 만족하고,

유전체막의 X선 회절 차트에 있어서, 복합 산화물의 (110)면의 회절 피크의 반치 전폭(半値全幅)이 0.40° 이상인 유전체막이다.

[2] (110)면의 회절 피크의 반치 전폭이 0.40° 이상 6.00° 이하인 [1]에 기재된 유전체막이다.

[3] [1] 또는 [2]에 기재된 유전체막을 구비하는 전자 부품이다.

본 발명에 의하면, 박막이어도, 절연 파괴 전압이 높은 유전체막을 제공할 수 있다.

도 1은, 본 실시형태에 따른 전자 부품의 일례로서의 박막 콘덴서의 모식적인 단면도이다.

이하, 본 발명을, 구체적인 실시형태에 의거하여, 이하의 순서로 상세하게 설명한다.

1. 박막 콘덴서

1.1. 박막 콘덴서의 전체 구성

1.2. 유전체막

1.2.1. 복합 산화물

1.3. 기판

1.4. 하부 전극

1.5. 상부 전극

2. 박막 콘덴서의 제조 방법

3. 본 실시형태의 정리

4. 변형예

(1. 박막 콘덴서)

우선, 본 실시형태에 따른 전자 부품으로서, 유전체층이 박막형상의 유전체막으로 구성되는 박막 콘덴서에 대해서 설명한다.

(1.1. 박막 콘덴서의 전체 구성)

도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 따른 전자 부품의 일례로서의 박막 콘덴서(10)는, 기판(1)과, 하부 전극(3)과, 유전체막(5)과, 상부 전극(4)이 이 순서로 적층된 구성을 가지고 있다. 하부 전극(3)과 유전체막(5)과 상부 전극(4)은 콘덴서부를 형성하고 있으며, 하부 전극(3) 및 상부 전극(4)이 외부 회로에 접속되어 전압이 인가되면, 유전체막(5)이 소정의 정전 용량을 나타내고, 콘덴서로서의 기능을 발휘할 수 있다. 각 구성 요소에 대한 상세한 설명은 후술한다.

또, 본 실시형태에서는, 기판(1)과 하부 전극(3) 사이에, 기판(1)과 하부 전극(3)의 밀착성을 향상시키기 위해서 하지층(2)이 형성되어 있다. 하지층(2)을 구성하는 재료는, 기판(1)과 하부 전극(3)의 밀착성을 충분히 확보할 수 있는 재료이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 하부 전극(3)이 Cu로 구성되는 경우에는, 하지층(2)은 Cr로 구성되고, 하부 전극(3)이 Pt로 구성되는 경우에는, 하지층(2)은 Ti로 구성할 수 있다.

또, 도 1에 나타내는 박막 콘덴서(10)에 있어서, 유전체막(5)을 외부 분위기로부터 차단하기 위한 보호막이 형성되어 있어도 된다.

또한, 박막 콘덴서의 형상에 특별히 제한은 없지만, 통상, 직방체 형상이 된다. 또 그 치수에도 특별히 제한은 없고, 두께나 길이는 용도에 따라 적당한 치수로 하면 된다.

(1.2. 유전체막)

유전체막(5)은, 후술하는 복합 산화물을 주성분으로서 포함하고 있다. 본 실시형태에서는, 주성분이란, 유전체막 100mol% 중, 50mol% 이상을 차지하는 성분이다.

또, 본 실시형태에서는, 유전체막(5)은, 공지의 성막법에 의해 형성된 박막이다. 이러한 박막은, 통상, 기판 상에 원자가 퇴적하여 형성되므로, 유전체막은, 유전체 퇴적막인 것이 바람직하다. 따라서, 유전체막은, 유전체의 원료 분말을 성형한 성형체를 소성하여 얻어지는(고상 반응에 의해 얻어지는) 소결체는 포함하지 않는다.

유전체막(5)의 두께는, 바람직하게는 10nm~4000nm, 보다 바람직하게는 50nm~3000nm이다. 유전체막(5)의 두께가 너무 얇으면, 유전체막(5)의 절연 파괴가 발생하기 쉬운 경향이 있다. 절연 파괴가 발생하면, 콘덴서로서의 기능을 발휘할 수 없다. 한편, 유전체막(5)의 두께가 너무 두꺼우면, 콘덴서의 정전 용량을 크게 하기 위해서 전극 면적을 넓게 할 필요가 있어, 전자 부품의 설계에 따라서는 소형화 및 저배화(低背化)가 곤란해지는 경우가 있다.

또한, 유전체막(5)의 두께는, 유전체막(5)을 포함하는 박막 콘덴서를, FIB(집속 이온 빔) 가공 장치로 굴착해, 얻어진 단면을 SEM(주사형 전자 현미경)으로 관찰하여 측정할 수 있다.

(1.2.1. 복합 산화물)

복합 산화물은, A원소, B원소 및 C원소를 포함하는 산화물이며, 일반식 xAO-yBO-zC₂O₅로 표시된다. 본 실시형태에서는, A원소 및 B원소는 2가의 원소로 구성되어 있고, C원소는 5가의 원소로 구성되어 있다.

이 일반식에 있어서의 「x」는, 복합 산화물 1.000몰에 있어서의 산화물 AO의 몰수 비율을 나타낸다. 마찬가지로, 상기 일반식에 있어서의 「y」는, 복합 산화물 1.000몰에 있어서의 산화물 BO의 몰수 비율을 나타내고, 상기 일반식에 있어서의 「z」는, 복합 산화물 1.000몰에 있어서의 산화물 C₂O₅의 몰수 비율을 나타낸다.

본 실시형태에서는, 「x」, 「y」 및 「z」는, x+y+z=1.000, 0.375≤x≤0.563, 0.250≤y≤0.500, x/3≤z≤(x/3)+1/9인 관계를 만족한다.

「x」가 너무 작으면, Q값이 저하하는 경향이 있다. 한편, 「x」가 너무 크면, A원소가 과잉이 되어, 대기 중의 이산화탄소, 수분 등과 반응하기 쉽고, 유전체막이 변질해, 형상을 유지할 수 없는 경향이 있다.

「y」가 너무 작으면, 상대적으로, A원소가 과잉이 되기 쉬우므로, 상기 경향을 나타낸다. 「y」가 너무 크면, 유전체막에 크랙이 생기는 경향이 있다.

「z」가 너무 작으면, 상대적으로, A원소가 과잉이 되기 쉬우므로, 상기 경향을 나타낸다. 「z」가 너무 크면, C원소가 과잉이 되어, 유전체막 중에 산소 결함이 생기기 쉽고, 반도체화하는 경향이 있다.

본 실시형태에서는, A원소는, 바륨(Ba), 칼슘(Ca) 및 스트론튬(Sr)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나이다. A원소는, 적어도 바륨을 포함하는 것이 바람직하고, 이 경우, A원소는, 바륨, 또는, 바륨과 칼슘 및 스트론튬으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나이다. A원소로서, 적어도 바륨이 포함됨으로써, 절연 파괴 전압 및 Q값이 향상하는 경향이 있다.

본 실시형태에서는, B원소는, 마그네슘(Mg) 및 아연(Zn)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나이다. B원소는, 적어도 마그네슘을 포함하는 것이 바람직하고, 이 경우, B원소는, 마그네슘, 또는, 마그네슘 및 아연이다. B원소로서, 적어도 마그네슘이 포함됨으로써, 절연 파괴 전압 및 Q값이 향상하는 경향이 있다.

본 실시형태에서는, C원소는, 니오브(Nb) 및 탄탈(Ta)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나이다. C원소는, 적어도 탄탈을 포함하는 것이 바람직하고, 이 경우, C원소는, 탄탈, 또는, 탄탈 및 니오브이다. C원소로서, 적어도 탄탈이 포함됨으로써, Q값 및 절연 파괴 전압이 향상하는 경향이 있다.

본 실시형태에서는, 유전체막의 X선 회절 측정에 의해 얻어지는 X선 회절 차트에 있어서, 복합 산화물의 (110)면의 회절 피크의 반치 전폭이 0.40° 이상이다. 반치 전폭은, 피크 강도의 반분의 강도에서의 피크의 넓어짐(FWHM: Full Width at Half Maximum)으로서 산출된다.

반치 전폭은, 결정성의 지표이다. 반치 전폭이 작은 경우, 복합 산화물의 결정성이 높은 것을 의미하고, 반치 전폭이 큰 경우, 복합 산화물의 결정성이 낮은 것을 의미한다. 본 실시형태에서는, 반치 전폭을 상기 범위로 함으로써, 복합 산화물의 결정성을 제어해, 유전체막의 절연 파괴 전압을 향상시킬 수 있다.

(110)면의 회절 피크의 반치 전폭은, 6.00° 이하인 것이 바람직하고, 4.00° 이하인 것이 보다 바람직하다. (110)면의 회절 피크의 반치 전폭의 상한값을 상기 값으로 함으로써, 유전체막의 절연 파괴 전압을 높게 유지하면서, 복합 산화물의 과도한 아몰퍼스화를 억제하여, 유전체막의 Q값을 소정의 값 이상으로 할 수 있다.

또한, X선원으로서, Cu-Kα선을 이용하는 경우, (110)면의 회절 피크는 회절각 2θ가 30° 근방에 나타난다.

복합 산화물의 반치 전폭의 제어는, 예를 들어, 성막법의 종류, 성막 시의 기판 온도, 성막 시에 부여하는 에너지, 성막 시의 분위기에 따라 행할 수 있다.

또, 본 실시형태에 따른 유전체막은, 본 발명의 효과를 나타내는 범위 내에 있어서, 미량인 불순물, 부성분 등을 포함하고 있어도 된다.

(1.3. 기판)

도 1에 나타내는 기판(1)은, 그 위에 형성되는 하지층(2), 하부 전극(3), 유전체막(5) 및 상부 전극(4)을 지지할 수 있을 정도의 기계적 강도를 가지는 재료로 구성되어 있으면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, Si 단결정, SiGe 단결정, GaAs 단결정, InP 단결정, SrTiO₃ 단결정, MgO 단결정, LaAlO₃ 단결정, ZrO₂ 단결정, MgAl₂O₄ 단결정, NdGaO₃ 단결정 등으로 구성되는 단결정 기판, Al₂O₃ 다결정, ZnO 다결정, SiO₂ 다결정 등으로 구성되는 세라믹 다결정 기판, Ni, Cu, Ti, W, Mo, Al, Pt 등의 금속, 그들의 합금 등으로 구성되는 금속 기판 등이 예시된다. 본 실시형태에서는, 저비용, 가공성 등의 관점으로부터, Si 단결정을 기판으로서 이용한다.

기판(1)의 두께는, 예를 들어, 10μm~5000μm로 설정된다. 두께가 너무 작으면, 기계적 강도를 확보할 수 없는 경우가 발생하는 일이 있고, 두께가 너무 크면, 전자 부품의 소형화에 기여할 수 없다는 문제가 발생하는 경우가 있다.

상기 기판(1)은, 기판의 재질에 따라 그 저항률이 상이하다. 저항률이 낮은 재료로 기판을 구성하는 경우, 박막 콘덴서의 작동 시에 기판측으로의 전류의 리크가 생겨, 박막 콘덴서의 전기 특성에 영향을 끼치는 일이 있다. 그 때문에, 기판(1)의 저항률이 낮은 경우에는, 그 표면에 절연 처리를 실시해, 콘덴서 작동 시의 전류가 기판(1)에 흐르지 않도록 하는 것이 바람직하다.

예를 들어, Si 단결정을 기판(1)으로서 사용하는 경우에 있어서는, 기판(1)의 표면에 절연층이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 기판(1)과 콘덴서부의 절연이 충분히 확보되어 있으면, 절연층을 구성하는 재료 및 그 두께는 특별히 한정되지 않는다. 본 실시형태에서는, 절연층을 구성하는 재료로서, SiO₂, Al₂O₃, Si₃N_x 등이 예시된다. 또, 절연층의 두께는, 0.01μm 이상인 것이 바람직하다.

(1.4. 하부 전극)

도 1에 나타내는 바와 같이, 기판(1) 위에는, 하지층(2)을 개재하여, 하부 전극(3)이 박막형상으로 형성되어 있다. 하부 전극(3)은, 후술하는 상부 전극(4)과 함께 유전체막(5)을 사이에 두고, 콘덴서로서 기능시키기 위한 전극이다. 하부 전극(3)을 구성하는 재료는, 도전성을 가지는 재료이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, Pt, Ru, Rh, Pd, Ir, Au, Ag, Cu 등의 금속, 그들의 합금, 또는, 도전성 산화물 등이 예시된다.

하부 전극(3)의 두께는, 전극으로서 기능할 정도의 두께이면 특별히 제한되지 않는다. 본 실시형태에서는, 두께는 0.01μm 이상인 것이 바람직하다.

(1.5. 상부 전극)

도 1에 나타내는 바와 같이, 유전체막(5)의 표면에는, 상부 전극(4)이 박막형상으로 형성되어 있다. 상부 전극(4)은, 상술한 하부 전극(3)과 함께, 유전체막(5)을 사이에 두고, 콘덴서로서 기능시키기 위한 전극이다. 따라서, 상부 전극(4)은, 하부 전극(3)과는 상이한 극성을 가지고 있다.

상부 전극(4)을 구성하는 재료는, 하부 전극(3)과 마찬가지로, 도전성을 가지는 재료이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, Pt, Ru, Rh, Pd, Ir, Au, Ag, Cu 등의 금속, 그들의 합금, 또는, 도전성 산화물 등이 예시된다.

(2. 박막 콘덴서의 제조 방법)

다음에, 도 1에 나타내는 박막 콘덴서(10)의 제조 방법의 일례에 대해 이하에 설명한다.

우선, 기판(1)을 준비한다. 기판(1)으로서, 예를 들어, Si 단결정 기판을 이용하는 경우, 당해 기판의 한쪽의 주면에 절연층을 형성한다. 절연층을 형성하는 방법으로서는, 열산화법, CVD(Chemical Vapor Deposition)법 등의 공지의 성막법을 이용하면 된다.

계속해서, 형성된 절연층 상에, 공지의 성막법을 이용하여 하지층을 구성하는 재료의 박막을 형성하여 하지층(2)을 형성한다.

하지층(2)을 형성한 후, 당해 하지층(2) 상에, 공지의 성막법을 이용하여 하부 전극을 구성하는 재료의 박막을 형성하여 하부 전극(3)을 형성한다.

하부 전극(3)의 형성 후에, 하지층(2)과 하부 전극(3)의 밀착성 향상, 및, 하부 전극(3)의 안정성 향상을 도모하는 목적으로, 열처리를 행해도 된다. 열처리 조건으로서는, 예를 들어, 승온 속도는 바람직하게는 10℃/분~2000℃/분, 보다 바람직하게는 100℃/분~1000℃/분이다. 열처리 시의 유지 온도는, 바람직하게는 400℃~800℃, 그 유지 시간은, 바람직하게는 0.1시간~4.0시간이다. 열처리 조건이 상기 범위 외인 경우에는, 하지층(2)과 하부 전극(3)의 밀착 불량, 하부 전극(3)의 표면에 요철이 발생하기 쉬워진다. 그 결과, 유전체막(5)의 유전 특성의 저하가 발생하기 쉬워진다.

계속해서, 하부 전극(3) 상에 유전체막(5)을 형성한다. 본 실시형태에서는, 공지의 성막법에 의해, 유전체막(5)을 구성하는 재료를 하부 전극(3) 상에 박막형상으로 퇴적시킨 퇴적막으로서의 유전체막(5)을 형성한다.

공지의 성막법으로서는, 예를 들어, 진공 증착법, 스퍼터링법, PLD(펄스 레이저 증착법), MO-CVD(유기 금속 화학 기상 성장법), MOD(유기 금속 분해법), 졸 겔법, CSD(화학 용액 퇴적법)가 예시된다. 본 실시형태에서는, 비용, 높은 절연 파괴 전압이 얻어지기 쉬운 등의 관점으로부터, 스퍼터링법이 바람직하다. 예를 들어, PLD에 의해 박막을 형성하는 경우, 성막 시에 액적이 생기고, 이 액적에 기인하여 얻어지는 유전체막의 절연 파괴 전압이 저하하는 경향이 있다.

또한, 성막 시에 사용하는 원료(증착 재료, 각종 타겟 재료, 유기 금속 재료 등)에는 미량의 불순물, 부성분 등이 포함되어 있는 경우가 있지만, 원하는 유전 특성이 얻어지면, 특별히 문제는 없다.

스퍼터링법을 이용하는 경우, 원하는 조성의 타겟을 이용하여, 하부 전극 상에 유전체막을 형성한다. 본 실시형태에서는, 복합 산화물의 반치 전폭을 상기 범위 내로 하기 위해서, 예를 들어, 기판 온도는 비교적 낮은 편이 바람직하고, 스퍼터링 시에 투입하는 전력은 너무 크면 반치 전폭이 너무 작아지는 경향이 있고, 너무 작으면 반치 전폭이 너무 커지는 경향이 있다. 이러한 성막 조건을 적당히 조합하면 된다.

다음에, 형성한 유전체막(5) 상에, 공지의 성막법을 이용하여 상부 전극을 구성하는 재료의 박막을 형성하여 상부 전극(4)을 형성한다.

이상의 공정을 거쳐, 도 1에 나타내는 바와 같이, 기판(1) 상에, 콘덴서부(하부 전극(3), 유전체막(5) 및 상부 전극(4))가 형성된 박막 콘덴서(10)가 얻어진다. 또한, 유전체막(5)을 보호하는 보호막은, 적어도 유전체막(5)이 외부에 노출되어 있는 부분을 덮도록 공지의 성막법에 의해 형성하면 된다.

(3. 본 실시형태의 정리)

본 실시형태에서는, 성막법에 의해 얻어지는 유전체막의 주성분으로서, 바륨, 칼슘 및 스트론튬으로부터 선택되는 A원소와, 마그네슘 및 아연으로부터 선택되는 B원소와, 니오브 및 탄탈로부터 선택되는 C원소의 복합 산화물에 주목하고 있다.

이 복합 산화물에 있어서, A원소, B원소 및 C원소의 함유 비율을 상술한 범위 내로 하는 조성의 최적화에 추가하여, 복합 산화물의 소정의 회절 피크의 반치 전폭을 상기 범위로 하고 있다. 그 결과, 유전체막의 절연 파괴 전압을 향상시킬 수 있다.

성막법에 의해 형성된 박막에서는 결정 배향성을 용이하게 제어할 수 있으므로, 통상, 성막법에 의해 박막을 형성하는 경우, 결정성이 높은 박막을 형성한다. 즉, 반치 전폭이 작은 박막을 형성한다.

그러나, 본 발명자들은, 결정성이 높은 박막보다, 약간 결정성이 낮고, 아몰퍼스의 영역을 포함하는 박막 쪽이, 절연 파괴 전압이 향상하는 것을 발견했다.

또, 절연 파괴 전압과 Q값을 양립하기 위해서, 반치 전폭의 상한을 규정함으로써, 아몰퍼스의 영역이 너무 많아지는 것을 방지하고 있다.

(4. 변형예)

상술한 실시형태에서는, 유전체막이 본 실시형태에 따른 유전체막만으로 구성되는 경우를 설명했는데, 본 실시형태에 따른 유전체막과 다른 유전체 조성물로 구성되는 막을 조합한 적층 구조를 가지는 전자 부품이어도 된다. 예를 들어, 기존의 Si₃N_x, SiO_x, Al₂O_x, ZrO_x, Ta₂O_x 등의 아몰퍼스 유전체막이나 결정막과의 적층 구조로 함으로써, 유전체막(5)의 임피던스나 비유전율의 온도 변화를 조정하는 것이 가능해진다.

또, 본 실시형태에 따른 유전체막을 복수 가지는 적층 커패시터여도 된다.

상술한 실시형태에서는, 기판과 하부 전극의 밀착성을 향상시키기 위해서, 하지층을 형성하고 있는데, 기판과 하부 전극의 밀착성을 충분히 확보할 수 있는 경우에는, 하지층은 생략할 수 있다. 또, 기판을 구성하는 재료로서, 전극으로서 사용 가능한 Cu, Pt 등의 금속, 그들의 합금, 산화물 도전성 재료 등을 이용하는 경우에는, 하지층 및 하부 전극은 생략할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명해왔는데, 본 발명은 상기 실시형태로 전혀 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위 내에 있어서 다양한 양태로 개변해도 된다.

[실시예]

이하, 실시예 및 비교예를 이용하여, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1 및 비교예 1)

우선, 유전체막의 형성에 필요한 타겟을 이하와 같이 하여 제작했다.

A원소의 원료 분말로서, 탄산바륨(BaCO₃), 탄산칼슘(CaCO₃) 및 탄산스트론튬(SrCO₃)의 각 분말을 준비하고, B원소의 원료 분말로서, 산화마그네슘(MgO) 및 산화아연(ZnO)의 각 분말을 준비하고, C원소의 원료 분말로서, 산화니오브(Nb₂O₅) 및 산화탄탈(Ta₂O₅)의 각 분말을 준비했다. 이들의 분말을, 표 1에 나타내는 실시예 1 및 비교예 1의 각 시료의 조성이 되도록 칭량했다.

칭량한 B원소의 원료 분말과 C원소의 원료 분말과 물과 φ2mm의 ZrO₂ 비즈를, 용적이 1L인 폴리프로필렌제 광구 포트에 넣고 습식 혼합을 20시간 행했다. 그 후, 혼합 분말 슬러리를 100℃에서 20시간 건조시키고, 얻어진 혼합 분말을 Al₂O₃ 도가니에 넣고, 대기 중 1250℃에서 5시간 유지하는 소성 조건에서 1차 가소(假燒)를 행해, B원소와 C원소의 복합 산화물을 포함하는 1차 가소 분말을 얻었다.

얻어진 1차 가소 분말과 A원소의 원료 분말과 물과 φ2mm의 ZrO₂ 비즈를, 용적이 1L인 폴리프로필렌제 광구 포트에 넣고 습식 혼합을 20시간 행했다. 그 후, 혼합 분말 슬러리를 100℃에서 20시간 건조시키고, 얻어진 혼합 분말을 Al₂O₃ 도가니에 넣고, 대기 중 1050℃에서 5시간 유지하는 소성 조건에서 2차 가소를 행해, A원소와 B원소와 C원소의 복합 산화물을 포함하는 2차 가소 분말을 얻었다.

B원소를 포함하지 않는 AO-C₂O₅계 화합물은, 목적으로 하는 AO-BO-C₂O₅의 생성을 저해해 버리지만, 이와 같이 2단계의 가소를 행함으로써, AO-C₂O₅계 화합물이 생성되는 것을 억제할 수 있다.

얻어진 2차 가소 분말을 유발에 넣고, 바인더로서 농도 6wt%의 PVA(폴리비닐알코올) 수용액을, 2차 가소 분말에 대해 10wt%가 되도록 첨가하고, 막자를 사용하여 조립분(造粒粉)을 제작했다. 제작한 조립분을, 두께가 5mm 정도가 되도록 φ100mm의 금형에 투입하고, 1축 가압 프레스기를 사용하여 가압 성형을 행해 성형체를 얻었다. 성형 조건은, 압력을 2.0×10⁸Pa, 온도를 실온으로 했다.

그 후, 얻어진 성형체에 대해, 승온 속도를 100℃/시간, 유지 온도를 400℃, 온도 유지 시간을 4시간으로 하고, 상압의 대기 중에서 탈바인더 처리를 행했다. 계속해서, 승온 속도를 200℃/시간, 유지 온도를 1600℃~1700℃, 온도 유지 시간을 12시간으로 하고, 상압의 대기 중에서 소성을 행해, 소결체를 얻었다.

얻어진 소결체의 두께가 4mm가 되도록, 원통 연마기로 양면을 연마하고, 유전체막을 형성하기 위한 타겟을 얻었다.

계속해서, 350μm 두께의 Si 단결정 기판의 표면에 6μm 두께의 절연층으로서의 SiO₂를 구비한 가로 세로 10mm×10mm의 기판을 준비했다. 이 기판의 표면에, 하지층으로서의 Ti 박막을 20nm의 두께가 되도록 스퍼터링법으로 형성했다.

그 다음에, 상기에서 형성한 Ti 박막 상에 하부 전극으로서의 Pt 박막을 100nm의 두께가 되도록 스퍼터링법으로 형성했다.

형성한 Ti/Pt 박막에 대해, 승온 속도를 400℃/분, 유지 온도를 700℃, 온도 유지 시간을 30분, 분위기를 산소 분위기로 하여 상압하에서 열처리를 행했다.

열처리 후의 Ti/Pt 박막 상에 유전체막을 형성했다. 본 실시예에서는, 시료 번호 26을 제외하고, 상기에서 제작한 타겟을 이용하여, 하부 전극 상에 1000nm의 두께가 되도록 스퍼터링법으로 유전체막을 형성했다. 스퍼터링법에 의한 성막에서는, 기판 온도, 스퍼터링 시의 투입 전력 및 성막 압력을 표 1에 나타내는 조건으로 했다. 또, 하부 전극의 일부를 노출시키기 위해서, 메탈 마스크를 사용하여, 유전체막이 성막되지 않은 영역을 형성했다.

또, 시료 번호 26에서는, 상기에서 제작한 타겟을 이용하여, 하부 전극 상에 1000nm의 두께가 되도록 PLD법으로 유전체막을 형성했다. 성막 조건은, 산소압을 1×10^-1(Pa)로 하고, 기판 온도를 200℃로 했다. 또, 시료 번호 1~25와 마찬가지로, 하부 전극의 일부를 노출시키기 위해서, 메탈 마스크를 사용하여, 유전체막이 일부 성막되지 않은 영역을 형성했다.

그 다음에, 얻어진 유전체막 상에, 증착 장치를 사용하여 상부 전극인 Ag 박막을 형성했다. 상부 전극의 형상을, 메탈 마스크를 사용하여 직경 100μm, 두께 100nm가 되도록 형성함으로써, 도 1에 나타내는 구성을 가지는 박막 콘덴서의 시료(시료 번호 1~26)를 얻었다.

또한, 유전체막의 조성은, 모든 시료에 대해, XRF(형광 X선 원소 분석)를 이용하여 분석을 행하고, 표 1에 기재된 조성과 일치하고 있음을 확인했다. 또, 유전체막의 두께는, 박막 콘덴서를 FIB로 굴삭하고, 얻어진 단면을 SEM(주사형 전자 현미경)으로 관찰하여 측장(測長)한 값으로 했다.

얻어진 모든 박막 콘덴서 시료에 대해, 유전체막의 XRD 측정을 하기에 나타내는 방법에 의해 행했다. 또, 유전체막의 Q값 및 절연 파괴 전압을 하기에 나타내는 방법에 의해 측정했다.

(XRD 측정)

유전체막에 대해서 XRD 측정을 행하고, 얻어지는 X선 회절 차트에 있어서, (110)면의 회절 피크를 특정하여, 그 반치 전폭을 산출했다. 결과를 표 1에 나타낸다.

XRD 측정에서는, X선원으로서 Cu-Kα선을 이용하고, 그 측정 조건은, 전압이 45kV, 전류가 200mA이며, 2θ=20°~90°의 범위로 했다.

(절연 파괴 전압)

절연 파괴 전압(Vbd)은, 이하와 같이 하여 측정했다. 박막 콘덴서에 대해, 하부 전극이 노출하고 있는 영역과 상부 전극에 초절연계(HIOKI SM7120)를 접속하고, 5V/초의 단계로 전압을 인가하여 저항치를 계측했다. 초기 저항치로부터 2자릿수 저하했을 때의 전압치를 파괴 전압치(V)로 하고, 얻어진 파괴 전압치(V)를 유전체 막두께로 나눈 수치를 절연 파괴 전압(Vbd)(V/μm)으로 했다. 본 실시예에서는, 각 시료에 대해, 5개의 박막 콘덴서의 절연 파괴 전압을 측정하고, 그 평균치를 각 시료의 절연 파괴 전압으로 했다. 본 실시예에서는, 절연 파괴 전압은 높은 편이 바람직하고, 절연 파괴 전압이 500V/μm 이상인 시료를 양호하다고 판단했다. 결과를 표 1에 나타낸다.

(Q값)

Q값은, 박막 콘덴서에 대해, 기준 온도 25℃에 있어서, RF 임피던스/머티리얼·애널라이저(Agilent사 제조 4991A)로, 주파수 2GHz, 입력 신호 레벨(측정 전압) 0.5Vrms의 조건하에서 측정된 유전 손실(tanδ)의 역수로 했다. 본 실시예에서는, Q값은 높은 편이 바람직하고, Q값이 350 이상인 시료를 양호하다고 판단했다. 결과를 표 1에 나타낸다.

표 1로부터, 「x」, 「y」 및 「z」의 관계가 상술한 범위 내이며, 또한 (110)면의 회절 피크의 반치 전폭이 상술한 범위를 만족하는 시료는, 절연 파괴 전압과 Q값을 양립할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

한편, 「x」, 「y」 및 「z」의 관계가 상술한 범위 내여도, (110)면의 회절 피크의 반치 전폭이 상술한 범위를 만족하지 않는 경우에는, 절연 파괴 전압이 낮은 것을 확인할 수 있었다. 또, 「x」, 「y」 및 「z」의 관계가 상술한 범위 외인 시료는, Q값이 낮은 것을 확인할 수 있었다.

또한, PLD법으로 성막했을 경우, 표 1에 기재된 조건에서는, (110)면의 회절 피크의 반치 전폭이 상술한 범위를 만족하지 않고, 또한 성막 시에 생기는 액적의 영향에 의해 절연 파괴 전압이 낮은 것을 확인할 수 있었다.

또한, 시료 번호 17~19에 대해, 성막 직후는 막의 형태를 가지고 있지만, 시간이 지나면 막이 붕괴했기 때문에, 반치 전폭, 절연 파괴 전압 및 Q값의 측정을 행할 수 없었다.

(실시예 2)

시료 번호 9에 대해, 유전체막의 두께를 표 2에 나타내는 두께로 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조건에 의해 유전체막을 형성하고, 실시예 1과 동일한 조건에 의해 유전체막을 평가했다. 결과를 표 2에 나타낸다.

유전체막의 두께를 표 2에 나타내는 두께로 했을 경우에도, 동등한 특성이 얻어지는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명에 의하면, 절연 파괴 전압이 높은 유전체막이 얻어진다. 이러한 박막형상의 유전체막은, 고주파용의 전자 부품, 예를 들어, 밸룬, 커플러, 필터, 혹은, 필터를 조합한 듀프렉서, 다이플렉서 등에 적합이다.

10: 박막 콘덴서 1: 기판
2: 하지층 3: 하부 전극
4: 상부 전극 5: 유전체막

Claims

일반식 xAO-yBO-zC₂O₅로 표시되는 복합 산화물을 주성분으로서 포함하는 유전체막으로서,
상기 A는, 바륨, 칼슘 및 스트론튬으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나이며,
상기 B는, 마그네슘 및 아연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나이며,
상기 C는, 니오브 및 탄탈로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나이며,
상기 x, y 및 z는, x+y+z=1.000, 0.375≤x≤0.563, 0.250≤y≤0.500, x/3≤z≤(x/3)+1/9인 관계를 만족하고,
상기 유전체막의 X선 회절 차트에 있어서, 상기 복합 산화물의 (110)면의 회절 피크의 반치 전폭이 0.40° 이상 6.00° 이하인, 유전체막.
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청구항 1에 기재된 유전체막을 구비하는, 전자 부품.