JP2003347155A - Thin film capacitor - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】半導体集積回路への速やかな電力供給が必要と
される電源ラインに使用されるデカップリング薄膜コン
デンサにおいて、従来のものに比べて過大なパルス電界
がかかった場合でも、絶縁破壊が起きにくく、また、酸
素欠陥等のモバイルチャージの移動による絶縁劣化が起
きにくい薄膜コンデンサを提供する。
【解決手段】下部電極層２と上部電極層４とで挟持した
薄膜誘電体層３中に、下部電極層２、上部電極層４に接
続しない浮き電極層８、及びドナードーパントをドープ
した薄膜誘電体層９を介在させた。
(57) [Problem] To provide a decoupling thin film capacitor used for a power supply line that requires a quick power supply to a semiconductor integrated circuit, even if an excessively large pulsed electric field is applied compared to a conventional one. In addition, the present invention provides a thin film capacitor in which dielectric breakdown hardly occurs and insulation deterioration hardly occurs due to movement of mobile charge such as oxygen deficiency. In a thin film dielectric layer sandwiched between a lower electrode layer and an upper electrode layer, a lower electrode layer, a floating electrode layer not connected to the upper electrode layer, and a thin film dielectric doped with a donor dopant. The body layer 9 was interposed.
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は上部電極層、下部電
極層との間に薄膜誘電体層を挟持した薄膜コンデンサに
関するものであり、特に、一対の電極層及び薄膜誘電体
層が１μｍ以下の膜厚で形成された薄膜コンデンサに関
するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thin film capacitor having a thin film dielectric layer sandwiched between an upper electrode layer and a lower electrode layer, and more particularly to a thin film capacitor having a pair of electrode layers and a thin film dielectric layer of 1 .mu.m or less. The present invention relates to a thin film capacitor formed with a film thickness.
【０００２】[0002]
【従来の技術】半導体集積回路のダウンサイジングに伴
い、回路への供給電力を安定化するために回路の電源ラ
インに並列に接続されるデカップリング薄膜コンデンサ
においても、小型化することが求められている。2. Description of the Related Art With the downsizing of semiconductor integrated circuits, miniaturization of a decoupling thin film capacitor connected in parallel to a power supply line of a circuit in order to stabilize the power supplied to the circuit is required. I have.
【０００３】小型化された薄膜コンデンサとして、下部
電極層、薄膜誘電体層、上部電極層をスパッタリング
法、または、ＣＶＤ法等の薄膜製造プロセスにより形成
した薄膜コンデンサが検討されている。As a thinned thin film capacitor, a thin film capacitor in which a lower electrode layer, a thin film dielectric layer, and an upper electrode layer are formed by a thin film manufacturing process such as a sputtering method or a CVD method has been studied.
【０００４】このような薄膜コンデンサでは素子の厚
み、即ち、薄膜誘電体層の厚みが薄いため、例えば、Ｌ
ＳＩパッケージとマザーボードとの間隙に薄膜コンデン
サを配置したり、あるいは、ＬＳＩチップとパッケージ
との間隙に薄膜コンデンサを配置することで、高密度に
各ＬＳＩを配置したレイアウトが可能になると期待され
ている。In such a thin film capacitor, since the thickness of the element, that is, the thickness of the thin film dielectric layer is small, for example, L
By arranging thin film capacitors in the gap between the SI package and the motherboard, or by arranging thin film capacitors in the gap between the LSI chip and the package, it is expected that a layout in which each LSI is arranged at a high density will be possible. .
【０００５】尚、従来の薄膜コンデンサの断面構造は、
図３に示すように支持基板１上に、下部電極層２、薄膜
誘電体層３０、上部電極層４が順次被着形成され、下部
電極層２の延出部分及び上部電極層４の一部を露出する
ように保護膜５が形成されている。そして、この露出部
分に、外部端子６、７が形成された構造となっている。[0005] The cross-sectional structure of a conventional thin film capacitor is as follows.
As shown in FIG. 3, a lower electrode layer 2, a thin-film dielectric layer 30, and an upper electrode layer 4 are sequentially formed on a support substrate 1, and an extended portion of the lower electrode layer 2 and a part of the upper electrode layer 4 are formed. Are formed so as to expose. The external terminals 6 and 7 are formed on the exposed portions.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】下部電極層２、薄膜誘
電体層３０、上部電極層４をスパッタリング法、また
は、ＣＶＤ法等の薄膜製造プロセスにより形成してお
り、薄膜誘電体層３の厚みが薄くなるため、例えば、Ｌ
ＳＩパッケージとマザーボードとの間隙に薄膜コンデン
サを配置したり、あるいは、ＬＳＩチップとパッケージ
との間隙に薄膜コンデンサを配置することで、高密度に
各ＬＳＩを配置したレイアウトが可能になるが、その反
面、薄膜誘電体層３０の膜厚が薄いため、印加電圧の変
動により過大なパルス電界がかかった場合、薄膜誘電体
層３０に絶縁破壊が起きやすくなったり、また、薄膜誘
電体層３は高い電界強度にさらされているため、誘電体
材料の酸素欠陥等のモバイルチャージが徐々に電極との
界面に蓄積して絶縁劣化を起こしやすいという課題があ
った。The lower electrode layer 2, the thin film dielectric layer 30, and the upper electrode layer 4 are formed by a thin film manufacturing process such as a sputtering method or a CVD method. Is thinner, for example, L
By arranging thin-film capacitors in the gap between the SI package and the motherboard, or by arranging thin-film capacitors in the gap between the LSI chip and the package, it becomes possible to arrange each LSI at high density. Since the thickness of the thin film dielectric layer 30 is thin, when an excessive pulse electric field is applied due to a change in applied voltage, dielectric breakdown easily occurs in the thin film dielectric layer 30 or the thin film dielectric layer 3 is high. Because of exposure to the electric field strength, there is a problem that mobile charges such as oxygen deficiency of the dielectric material gradually accumulate at the interface with the electrode, and the insulation is likely to deteriorate.
【０００７】本発明は上述の問題点に鑑みて案出された
ものであり、その目的は、上部電極層と下部電極層との
間に過大なパルス電界がかかっても、薄膜誘電体層に絶
縁破壊が起きにくく、かつ、酸素欠陥等のモバイルチャ
ージが上部電極または下部電極との界面に蓄積すること
を防いで、絶縁劣化を抑制した薄膜コンデンサを提供す
ることにある。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and has as its object the purpose of providing a thin-film dielectric layer even when an excessive pulse electric field is applied between the upper electrode layer and the lower electrode layer. An object of the present invention is to provide a thin film capacitor in which dielectric breakdown is less likely to occur and mobile charge such as oxygen deficiency is prevented from accumulating at an interface with an upper electrode or a lower electrode, thereby suppressing insulation deterioration.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明は、支持基板上に
下部電極層、薄膜誘電体層、上部電極層を順次積層して
成る薄膜コンデンサであって、前記薄膜誘電体層は、下
層薄膜誘電体層、前記下部電極層及び上部電極層と接続
しない浮き電極層、ドナードーパントをドープした薄膜
誘電体層、上層薄膜誘電体層とが積層して構成されてい
ることを特徴とする薄膜コンデンサである。According to the present invention, there is provided a thin film capacitor in which a lower electrode layer, a thin film dielectric layer, and an upper electrode layer are sequentially laminated on a supporting substrate, wherein the thin film dielectric layer comprises a lower thin film. A thin film capacitor comprising: a dielectric layer, a floating electrode layer not connected to the lower electrode layer and the upper electrode layer, a thin film dielectric layer doped with a donor dopant, and an upper thin film dielectric layer. It is.
【０００９】また、前記浮き電極層が、３０ｎｍ以下の
膜厚に形成されている。The floating electrode layer is formed to a thickness of 30 nm or less.
【００１０】さらに、前記浮き電極層が、メッシュ状に
形成されている。この時、前記メシュ状浮き電極層は、
そのメッシュの最大開口寸法（円形開口の場合には直
径、矩形状または角状開口の場合には、対角線の長さ）
が３ｍｍ／（εr ）1/2 （但しεr ：薄膜誘電体層の
比誘電率）以下となっている。Further, the floating electrode layer is formed in a mesh shape. At this time, the mesh-like floating electrode layer has
Maximum opening size of the mesh (diameter for circular openings, diagonal length for rectangular or square openings)
Is not more than 3 mm / (ε r ) 1/2 (where ε r is the relative dielectric constant of the thin-film dielectric layer).
【００１１】さらに、前記ドナードーパントをドープし
た薄膜誘電体層が１５ｎｍ以下の膜厚に形成されてい
る。Further, a thin film dielectric layer doped with the donor dopant is formed to a thickness of 15 nm or less.
【作用】本発明の薄膜コンデンサによれば、上記構成の
ように薄膜誘電体層中に、電気的極性の異なる前記上部
電極層と下部電極層との間にかかるパルス電界を遮るよ
うに、上部電極層及び下部電極層とは接続しない浮き電
極層が形成されている。このため、瞬間的な高周波電界
と言えるパルス電界（ノイズ信号）がかかった際に、浮
き電極層にて渦電流が発生して電磁エネルギーが熱に変
換される。その結果、従来の薄膜コンデンサに過大なパ
ルス電界がかかった場合でも、パルス電界が薄膜誘電体
層を貫通することがなく、薄膜誘電体層への絶縁破壊が
発生しにくくなる。According to the thin-film capacitor of the present invention, as described above, the upper portion of the thin-film dielectric layer is formed so as to block a pulse electric field applied between the upper electrode layer and the lower electrode layer having different electrical polarities. A floating electrode layer that is not connected to the electrode layer and the lower electrode layer is formed. For this reason, when a pulse electric field (noise signal), which can be said to be an instantaneous high-frequency electric field, is applied, an eddy current is generated in the floating electrode layer, and electromagnetic energy is converted into heat. As a result, even when an excessive pulse electric field is applied to the conventional thin-film capacitor, the pulse electric field does not penetrate the thin-film dielectric layer, and dielectric breakdown to the thin-film dielectric layer hardly occurs.
【００１２】さらに、前記薄膜誘電体層中に、ドナード
ーパントをドープした薄膜誘電体層が形成されている。
このため、誘電体材料に含まれる酸素欠陥等のモバイル
チャージの移動が妨げられ、そのため、モバイルチャー
ジが上部電極層または下部電極層との界面に蓄積するこ
とを防いで、絶縁劣化を抑制することができる。Further, a thin film dielectric layer doped with a donor dopant is formed in the thin film dielectric layer.
For this reason, the movement of mobile charges such as oxygen defects contained in the dielectric material is hindered. Therefore, the mobile charges are prevented from accumulating at the interface with the upper electrode layer or the lower electrode layer, and the deterioration of insulation is suppressed. Can be.
【００１３】なお、浮き電極層の膜厚を３０ｎｍ以下に
すると、その上に再度、薄膜誘電体層を形成する際に、
クラックが入りにくくなり、３０ｎｍを越えると、薄膜
誘電体層の剥離が顕著となる。また、浮き電極層は、メ
ッシュ状に形成されていてもよい。その場合には、メッ
シュ開口の最大寸法が３ｍｍ／（εr ）1/2 （但し、
εr ：薄膜誘電体層の比誘電率）以下であれば、１００
ＧＨｚ程度のパルス電界に対して有効であるため、殆ど
メッシュ開口がないように機能して、すべてのパルス電
界を熱に変換することが可能になる。尚、メッシュ開口
の最大寸法が３ｍｍ／（εr ）1/2 （但し、εr ：薄
膜誘電体層の比誘電率）を越えると、パルス電界から見
たときには、その波長が開口を容易に通過してしまう。
即ち、下部電極層と上部電極層との間にパルス電界がか
かり、メッシュ状浮き電極層の介在効果が低下してしま
う。When the thickness of the floating electrode layer is set to 30 nm or less, when a thin film dielectric layer is formed thereon again,
Cracking is difficult to occur, and when it exceeds 30 nm, peeling of the thin film dielectric layer becomes remarkable. Further, the floating electrode layer may be formed in a mesh shape. In that case, the maximum dimension of the mesh opening is 3 mm / (ε r ) 1/2 (however,
ε r : relative dielectric constant of the thin film dielectric layer)
Since it is effective for a pulse electric field of about GHz, it is possible to convert all the pulse electric field into heat by functioning with almost no mesh opening. If the maximum size of the mesh opening exceeds 3 mm / (ε r ) 1/2 (where ε r is the relative dielectric constant of the thin film dielectric layer), the wavelength easily becomes too small when viewed from the pulsed electric field. I will pass.
That is, a pulse electric field is applied between the lower electrode layer and the upper electrode layer, and the intervening effect of the mesh-like floating electrode layer is reduced.
【００１４】尚、前記浮き電極層は、上部電極層と下部
電極層との間にかかるＤＣ電界には影響を与えないた
め、薄膜誘電体層の誘電特性には何ら影響を及ぼさな
い。Since the floating electrode layer does not affect the DC electric field applied between the upper electrode layer and the lower electrode layer, it does not affect the dielectric characteristics of the thin film dielectric layer.
【００１５】また、前記ドナードーパントをドープした
薄膜誘電体層を１５ｎｍ以下にすると、その上に再度、
薄膜誘電体層を形成する際に、クラックが入りにくくな
り、３０ｎｍを越えると、薄膜誘電体層の剥離が顕著と
なるだけでなく、静電容量を低下させる。When the thickness of the thin film dielectric layer doped with the donor dopant is reduced to 15 nm or less, the thin film dielectric layer
When the thin film dielectric layer is formed, cracks are less likely to occur. When the thickness exceeds 30 nm, not only peeling of the thin film dielectric layer becomes remarkable, but also the capacitance is reduced.
【００１６】尚、ドナードーパントをドープした薄膜誘
電体層におけるドナードーパントの種類および添加量と
しては、誘電体材料がＢａ0.5Ｓｒ0.5ＴｉＯ3の場合、
ＢａおよびＳｒサイトにはＬａやＮｄ等の希土類を２０
〜４０原子％、ＴｉサイトにはＮｂやＴａ等の５価の遷
移元素を２０〜４０原子％が適切である。The kind and amount of the donor dopant in the thin film dielectric layer doped with the donor dopant are as follows when the dielectric material is Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 .
Ba and Sr sites contain 20 rare earth elements such as La and Nd.
It is appropriate that the Ti site has a pentavalent transition element such as Nb or Ta of 20 to 40 atomic%.
【００１７】以上の通り、本発明の薄膜コンデンサは、
瞬間的な高周波電界と言えるパルス電界がかかった際
に、浮き電極層にて渦電流が発生して電磁エネルギーが
熱に変換され、従来のものに比べて過大なパルス電界が
かかった場合でも、絶縁破壊が起きにくく、かつ、ドナ
ードーパントをドープした薄膜誘電体層が酸素欠陥等の
モバイルチャージの上部電極層および下部電極層との界
面への蓄積を防いで、絶縁劣化を抑制できることで、例
えばインターネットの基幹サーバに使用される半導体集
積回路の、電源ラインに接続されるデカップリング薄膜
コンデンサに好適となる。As described above, the thin film capacitor of the present invention
When a pulsed electric field, which can be said to be an instantaneous high-frequency electric field, is applied, an eddy current is generated in the floating electrode layer and electromagnetic energy is converted into heat, and even if an excessively large pulsed electric field is applied compared to the conventional one, Dielectric breakdown is unlikely to occur, and the thin film dielectric layer doped with the donor dopant prevents accumulation of mobile charges such as oxygen defects at the interface between the upper electrode layer and the lower electrode layer, thereby suppressing the deterioration of insulation, for example, It is suitable for a decoupling thin film capacitor connected to a power supply line of a semiconductor integrated circuit used for a main server of the Internet.
【００１８】[0018]
【発明の実施の形態】以下、本発明の薄膜コンデンサを
図面に基づいて詳細に説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a thin film capacitor according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
【００１９】図１は本発明の薄膜コンデンサの例を示す
断面図であり、図２は、その平面図である。尚、図１
は、図２中のＡ−Ａ線の断面構造を示す。尚、図３と同
一部分は同一符号を付す。FIG. 1 is a sectional view showing an example of a thin film capacitor according to the present invention, and FIG. 2 is a plan view thereof. FIG.
Shows a cross-sectional structure taken along line AA in FIG. The same parts as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals.
【００２０】同図において、１は支持基板であり、支持
基板１の上に下部電極層２を形成し、この下部電極層２
の上に薄膜誘電体層３の一部を構成する下層誘電体層３
ａが形成されている。さらに下層薄膜誘電体層３ａ上
に、浮き電極層８が被着形成され、さらに、ドナードー
パントをドープした薄膜誘電体層９が被着形成され、そ
の上から再度、上層薄膜誘電体層３ｂが形成されてい
る。その後、この薄膜誘電体層３上には、上部電極層
４、保護層５を順次積層する。ここで、下部電極層２と
上部電極層４とに挟持された浮き電極層８およびドナー
ドーパントをドープした薄膜誘電体層９を有する薄膜誘
電体層３の領域が容量発生領域となる。そして、下部電
極層２の一部は、容量発生領域から延出しており、この
延出部の一部は、保護層５から露出している。また、上
部電極層４の一部は、保護層５から露出している。尚、
上部電極層４においても、下部電極層２と同様に延出部
を形成して、その一部を保護層５から露出させてもよ
い。そして、この保護層５から露出する下部電極層２の
一部及び上部電極層４の一部にははんだボールにより外
部端子６、７が形成される。In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a supporting substrate, on which a lower electrode layer 2 is formed.
On the lower dielectric layer 3 constituting a part of the thin film dielectric layer 3
a is formed. Further, a floating electrode layer 8 is formed on the lower thin film dielectric layer 3a, a thin film dielectric layer 9 doped with a donor dopant is formed thereon, and an upper thin film dielectric layer 3b is again formed thereon. Is formed. Thereafter, the upper electrode layer 4 and the protective layer 5 are sequentially laminated on the thin film dielectric layer 3. Here, the region of the thin-film dielectric layer 3 having the floating electrode layer 8 sandwiched between the lower electrode layer 2 and the upper electrode layer 4 and the thin-film dielectric layer 9 doped with a donor dopant is a capacitance generation region. Then, a part of the lower electrode layer 2 extends from the capacitance generating region, and a part of the extension part is exposed from the protective layer 5. Further, a part of the upper electrode layer 4 is exposed from the protective layer 5. still,
Also in the upper electrode layer 4, an extension may be formed similarly to the lower electrode layer 2, and a part thereof may be exposed from the protective layer 5. External terminals 6 and 7 are formed by solder balls on a part of the lower electrode layer 2 and a part of the upper electrode layer 4 exposed from the protective layer 5.
【００２１】支持基板１は、薄膜コンデンサを機械的に
支持するためのものであり、材質、製法は特に制限され
ないが、サファイア単結晶などが例示できる。The support substrate 1 is for mechanically supporting the thin film capacitor, and its material and manufacturing method are not particularly limited, but sapphire single crystal can be exemplified.
【００２２】下部電極層２は、薄膜誘電体層３に直流電
圧を印加するために配置される。The lower electrode layer 2 is arranged to apply a DC voltage to the thin film dielectric layer 3.
【００２３】この下部電極層２はチタン、タングステ
ン、ニッケル、銅、金、白金などの導電性の高い金属の
うち少なくとも１種類で構成され、支持基板１上にスパ
ッタリング法等により形成される。The lower electrode layer 2 is made of at least one of highly conductive metals such as titanium, tungsten, nickel, copper, gold and platinum, and is formed on the support substrate 1 by a sputtering method or the like.
【００２４】薄膜誘電体層３は、下部電極層２と上部電
極層４との間にあって、両電極から直流電圧を印加され
ることにより電荷を蓄積し、最終的な使用形態におい
て、電源ラインを通じて半導体集積回路へ電流を供給す
る目的を達するために配置される。尚、薄膜誘電体層３
は、下層薄膜誘電体層３ａと、浮き電極層８、ドナード
ーパントをドープした薄膜誘電体層９、上層薄膜誘電体
層３ｂとに区画され積層されて構成される。The thin film dielectric layer 3 is located between the lower electrode layer 2 and the upper electrode layer 4 and stores electric charge by applying a DC voltage from both electrodes. It is arranged to achieve the purpose of supplying current to the semiconductor integrated circuit. The thin film dielectric layer 3
Is formed by being divided into a lower thin film dielectric layer 3a, a floating electrode layer 8, a thin film dielectric layer 9 doped with a donor dopant, and an upper thin film dielectric layer 3b.
【００２５】下層および上層薄膜誘電体層３ａ、３ｂの
材料には、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウ
ム、チタン酸ストロンチウムバリウムなどが用いられる
が、比誘電率がある程度高く、電荷を大量に蓄積し、最
終的な使用形態において、電源ラインを通じて半導体集
積回路へ十分な電流を供給できるものであれば良い。具
体的には、比誘電率が７０以上であることが望ましい。Barium titanate, strontium titanate, strontium barium titanate or the like is used as a material for the lower and upper thin film dielectric layers 3a and 3b. In the final use mode, any device that can supply a sufficient current to the semiconductor integrated circuit through the power supply line may be used. Specifically, it is desirable that the relative permittivity is 70 or more.
【００２６】下層および上層薄膜誘電体層３ａ、３ｂを
形成するには、ＣＶＤ法、スパッタリング法等によりお
こなう。The lower and upper thin film dielectric layers 3a and 3b are formed by a CVD method, a sputtering method, or the like.
【００２７】浮き電極層８は、薄膜誘電体層３中にあっ
て、電気的極性の異なる電極層間にかかるパルス電界を
遮るために配置される。浮き電極層８は、いずれの電気
的極性を有する外部端子６、７とも接しておらず、した
がって、いずれの電気的極性を有する下部および上部電
極層２、４とも接していない。The floating electrode layer 8 is provided in the thin-film dielectric layer 3 to block a pulse electric field applied between electrode layers having different electrical polarities. The floating electrode layer 8 is not in contact with the external terminals 6 and 7 having any electric polarity, and therefore is not in contact with the lower and upper electrode layers 2 and 4 having any electric polarity.
【００２８】このような浮き電極層８を形成すること
で、瞬間的な高周波電界と言えるパルス電界がかかった
際に、浮き電極層８にて渦電流が発生して電磁エネルギ
ーが熱に変換され、そのため、パルス電界が薄膜誘電体
層３を貫通することがなく、その結果、従来の薄膜コン
デンサに比べて過大なパルス電界がかかった場合でも、
薄膜誘電体層３に絶縁破壊が起きにくくなる。By forming such a floating electrode layer 8, when a pulsed electric field which is an instantaneous high frequency electric field is applied, an eddy current is generated in the floating electrode layer 8, and electromagnetic energy is converted into heat. Therefore, the pulse electric field does not penetrate through the thin film dielectric layer 3, and as a result, even when an excessive pulse electric field is applied compared with the conventional thin film capacitor,
Dielectric breakdown is less likely to occur in the thin film dielectric layer 3.
【００２９】この浮き電極層８は、チタン、タングステ
ン、ニッケル、銅、金、白金などの導電性の高い金属の
うち少なくとも１種類で構成される。The floating electrode layer 8 is made of at least one of highly conductive metals such as titanium, tungsten, nickel, copper, gold and platinum.
【００３０】浮き電極層８は、下層薄膜誘電体層３ａの
上にスパッタリング法等により被着形成され、この浮き
電極層８の上に、ドナードーパントをドープした薄膜誘
電体層９を被着形成し、再度、上層薄膜誘電体層３ｂが
ＣＶＤ法、スパッタリング法等によって形成される。The floating electrode layer 8 is formed on the lower thin film dielectric layer 3a by sputtering or the like, and a thin film dielectric layer 9 doped with a donor dopant is formed on the floating electrode layer 8 by deposition. Then, the upper thin-film dielectric layer 3b is formed again by the CVD method, the sputtering method, or the like.
【００３１】なお、浮き電極層８の膜厚を３０ｎｍ以下
にすることにより、その上に再度、ドナードーパントを
ドープした薄膜誘電体層９を形成する際に、クラックが
入りにくくなる。By setting the thickness of the floating electrode layer 8 to 30 nm or less, cracks are less likely to occur when the thin film dielectric layer 9 doped with the donor dopant is formed thereon.
【００３２】また、浮き電極層８は、メッシュ状に形成
されていてもよい。その場合には、メッシュ開口の形状
は、円形であっても、矩形状であっても、また角形状で
あってもよい。この時の開口最大値、即ち、円形の場合
には直径であり、矩形状、また角形状の場合、対角線な
ど最も距離の大きくなる寸法が、３ｍｍ／（εr ）1/ 2
（但し、εr ：薄膜誘電体層の比誘電率）以下となっ
ている。このような寸法であれば、１００ＧＨｚ程度の
パルス電界に対して、電気的には開口が存在しないこと
と同様の機能となり、ほとんどすべてのパルス電界を遮
断し、熱に変換することが可能になる。The floating electrode layer 8 may be formed in a mesh shape. In that case, the shape of the mesh opening may be circular, rectangular, or square. The maximum opening value at this time, that is, in the case of circular in diameter, rectangular, and if the corner shape becomes large dimensions whose distance such diagonal, 3mm / (ε r) 1 /2
(However, ε r : relative permittivity of the thin film dielectric layer). With such dimensions, a pulse electric field of about 100 GHz has the same function as the absence of an aperture, and almost all the pulse electric field can be cut off and converted to heat. .
【００３３】ドナードーパントをドープした薄膜誘電体
層９は薄膜誘電体層３中にあって、酸素欠陥等のモバイ
ルチャージの移動を防ぐために配置される。そして、ド
ナードーパントをドープした薄膜誘電体層９の誘電体材
料は、薄膜誘電体層３ａ、３ｂと主成分の同じ材料、例
えばチタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタ
ン酸ストロンチウムバリウムなどが用いられるが、チタ
ンの２０〜４０原子％がニオブやタンタルのような５価
の遷移元素に置き換えられているか、または、バリウム
およびストロンチウムの２０〜４０原子％がランタンや
ネオジウムのような希土類元素に置き換えられている点
が異なる。こういった材料組成にすることで、酸素欠陥
の移動度が低下することが知られている。The thin film dielectric layer 9 doped with a donor dopant is located in the thin film dielectric layer 3 and is arranged to prevent the movement of mobile charges such as oxygen defects. As the dielectric material of the thin film dielectric layer 9 doped with the donor dopant, the same material as the main components of the thin film dielectric layers 3a and 3b, for example, barium titanate, strontium titanate, strontium barium titanate, etc. is used. 20 to 40 atomic percent of titanium is replaced by a pentavalent transition element such as niobium or tantalum, or 20 to 40 atomic percent of barium and strontium is replaced by a rare earth element such as lanthanum or neodymium. Are different. It is known that such a material composition lowers the mobility of oxygen defects.
【００３４】ドナードーパントをドープした薄膜誘電体
層９を形成するには、ＣＶＤ法、スパッタリング法等に
よりおこなう。The thin film dielectric layer 9 doped with the donor dopant is formed by a CVD method, a sputtering method, or the like.
【００３５】尚、薄膜誘電体層３中、下層薄膜電体層３
ａと上層薄膜誘電体層３ｂとの厚みは、夫々実質的に同
一の厚みとなるように設定することが望ましい。In the thin film dielectric layer 3, the lower thin film electric layer 3
It is preferable that the thickness of the upper thin film dielectric layer 3b is set to be substantially the same as the thickness of the upper thin film dielectric layer 3b.
【００３６】上部電極層４は、下部電極層２と同じく、
薄膜誘電体層３に直流電圧を印加するために配置され
る。The upper electrode layer 4 is, like the lower electrode layer 2,
It is arranged for applying a DC voltage to the thin film dielectric layer 3.
【００３７】この上部電極層４はチタン、タングステ
ン、ニッケル、銅、金、白金などの導電性の高い金属の
うち少なくとも１種類で構成され、薄膜誘電体層３の上
にスパッタリング法等により形成される。The upper electrode layer 4 is made of at least one of highly conductive metals such as titanium, tungsten, nickel, copper, gold and platinum, and is formed on the thin film dielectric layer 3 by a sputtering method or the like. You.
【００３８】保護層５は、下部電極層２、薄膜誘電体層
３、および上部電極層４からなる容量発生領域を外部の
湿気から遮断するために配置される。The protective layer 5 is arranged to shield the capacitance generating region composed of the lower electrode layer 2, the thin film dielectric layer 3, and the upper electrode layer 4 from external moisture.
【００３９】この保護層５は、ポリイミド、ポリベンゾ
シクロブテン、シリカ、チッ化珪素などのうち少なくと
も１種類で構成され、上部電極層４の上にスピンコーテ
ィング法、スパッタリング法などにより形成される。The protective layer 5 is made of at least one of polyimide, polybenzocyclobutene, silica, silicon nitride and the like, and is formed on the upper electrode layer 4 by a spin coating method, a sputtering method or the like.
【００４０】外部端子６、７は、電源ラインから下部電
極層２または上部電極層４へ直流電圧を印加するために
配置される。The external terminals 6 and 7 are arranged to apply a DC voltage from the power supply line to the lower electrode layer 2 or the upper electrode layer 4.
【００４１】この外部端子６、７は、錫を主成分とし、
鉛、銀、銅、ビスマス、亜鉛などのうち少なくとも１種
類を副成分のはんだで構成され、スクリーン印刷法など
により形成される。The external terminals 6 and 7 are mainly composed of tin.
At least one of lead, silver, copper, bismuth, zinc, and the like is formed of a solder as an auxiliary component, and is formed by a screen printing method or the like.
【００４２】上部電極層５の一部、下部電極層２の一部
を露出するための貫通孔（符号を省略）は、保護層５、
必要に応じて薄膜誘電体層３、浮き電極層８、ドナード
ーパントをドープした薄膜誘電体層９、上部電極層４に
貫通するように形成する。この貫通孔はウエットエッチ
ング法、または、ドライエッチング法により形成され
る。The through holes (not shown) for exposing a part of the upper electrode layer 5 and a part of the lower electrode layer 2 are formed in the protective layer 5,
If necessary, a thin film dielectric layer 3, a floating electrode layer 8, a thin film dielectric layer 9 doped with a donor dopant, and an upper electrode layer 4 are formed so as to penetrate. This through hole is formed by a wet etching method or a dry etching method.
【００４３】エッチングに用いられるエッチャントに
は、ウエットエッチングでは、種々の酸や、特に金をエ
ッチングする場合にはシアン化カリウム水溶液などが用
いられる。また、ドライエッチングでは、フレオンなど
が用いられる。As an etchant used for etching, various acids are used in wet etching, and in particular, an aqueous solution of potassium cyanide is used when etching gold. In dry etching, freon or the like is used.
【００４４】かくして本発明の薄膜コンデンサによれ
ば、上記構成のように前記薄膜誘電体層３中に、上部電
極層４と下部電極層２との間にかかるパルス電界を遮る
形で、いずれの電極層２、４に電気的に接続しない浮き
電極層８を形成したことで、瞬間的な高周波電界と言え
るパルス電界がかかった際に、浮き電極層８にて渦電流
が発生して電磁エネルギーが熱に変換される。また、前
記薄膜誘電体層３中にドナードーパントをドープした薄
膜誘電体層９を形成したことで酸素欠陥等のモバイルチ
ャージの移動が抑制される。このため、パルス電界が薄
膜誘電体層３を貫通することがなく、その結果、従来の
ような図３の薄膜コンデンサに比べて過大なパルス電界
がかかった場合でも、薄膜誘電体層３で発生する絶縁破
壊を有効に防止でき、かつ、酸素欠陥等のモバイルチャ
ージが上部電極層４または下部電極層２との界面に蓄積
することを防いで、絶縁劣化を抑制できる。Thus, according to the thin-film capacitor of the present invention, any one of the above-described structures is provided in the thin-film dielectric layer 3 so as to block a pulse electric field applied between the upper electrode layer 4 and the lower electrode layer 2. By forming the floating electrode layer 8 that is not electrically connected to the electrode layers 2 and 4, an eddy current is generated in the floating electrode layer 8 when a pulsed electric field, which can be referred to as an instantaneous high-frequency electric field, is applied. Is converted to heat. In addition, the formation of the thin film dielectric layer 9 doped with a donor dopant in the thin film dielectric layer 3 suppresses the movement of mobile charges such as oxygen defects. For this reason, the pulse electric field does not penetrate the thin film dielectric layer 3, and as a result, even when an excessive pulse electric field is applied as compared with the conventional thin film capacitor of FIG. This can effectively prevent insulation breakdown, and prevent mobile charges such as oxygen defects from accumulating at the interface with the upper electrode layer 4 or the lower electrode layer 2, thereby suppressing insulation degradation.
【００４５】尚、上述の薄膜誘電体層３は、支持基板側
から下層薄膜誘電体層３ａ、浮き電極層８、ドナードー
パントをドープした薄膜誘電体層９、上層薄膜誘電体層
３ｂによって構成されているが、浮き電極層８とドナー
ドーパントをドープした薄膜誘電体層９との積層順序を
入れ替えても構わない。The above-mentioned thin film dielectric layer 3 is composed of a lower thin film dielectric layer 3a, a floating electrode layer 8, a thin film dielectric layer 9 doped with a donor dopant, and an upper thin film dielectric layer 3b from the support substrate side. However, the stacking order of the floating electrode layer 8 and the thin-film dielectric layer 9 doped with the donor dopant may be changed.
【００４６】かかる本発明の薄膜コンデンサは、例え
ば、インターネットの基幹サーバに使用される半導体集
積回路の、電源ラインに接続されるデカップリング薄膜
コンデンサに好適に用いることができる。The thin film capacitor of the present invention can be suitably used, for example, as a decoupling thin film capacitor connected to a power supply line of a semiconductor integrated circuit used for a main server of the Internet.
【００４７】[0047]
【実施例】次に本発明の薄膜コンデンサについて具体例
を説明する。
〔実施例１〕サファイア単結晶からなる支持基板１（厚
さ０．２５ｍｍ）上に、チタニア−金層（厚さは、下か
ら順に、チタニアが２５ｎｍ、金が５０ｎｍ）からなる
下部電極層２をＤＣスパッタリング法で成膜し、これを
市販のシアン化カリウム水溶液でエッチングして所望の
形状に加工した。続いて、下部電極層２の上からチタン
酸ストロンチウムバリウム（ストロンチウム／バリウム
比＝０．５／０．５）からなる下層薄膜誘電体層３ａ
（厚さ１００ｎｍ）をＲＦスパッタリング法で成膜し、
これをフレオンでドライエッチングして所望の形状に加
工した。Next, specific examples of the thin film capacitor of the present invention will be described. Example 1 A lower electrode layer 2 composed of a titania-gold layer (thickness is 25 nm for titania and 50 nm for gold in order from the bottom) on a support substrate 1 (0.25 mm thick) made of sapphire single crystal. Was formed by a DC sputtering method, and this was etched into a desired shape by etching with a commercially available aqueous solution of potassium cyanide. Subsequently, a lower thin-film dielectric layer 3a made of strontium barium titanate (strontium / barium ratio = 0.5 / 0.5) from above the lower electrode layer 2
(Thickness: 100 nm) by RF sputtering,
This was processed into a desired shape by dry etching with freon.
【００４８】続いて、下層薄膜誘電体層３ａの上から、
白金（厚さ２５ｎｍ）からなる浮き電極層８をＤＣスパ
ッタリング法で成膜し、これをアルゴンでドライエッチ
ングして所望の形状に加工した。Subsequently, from above the lower thin film dielectric layer 3a,
A floating electrode layer 8 made of platinum (thickness: 25 nm) was formed by a DC sputtering method, and this was processed into a desired shape by dry etching with argon.
【００４９】続いて、浮き電極層８の上から、Ｂａ0.35
Ｓｒ0.35Ｌａ0.3ＴｉＯ3（厚さ１５ｎｍ）からなるドナ
ードーパントをドープした薄膜誘電体層９をＲＦスパッ
タリング法で成膜し、続いて、ドナードーパントをドー
プした薄膜誘電体層９の上から、チタン酸ストロンチウ
ムバリウム（ストロンチウム／バリウム比＝０．５／
０．５）からなる上層薄膜誘電体層３ｂ（厚さ１００ｎ
ｍ）をＲＦスパッタリング法で成膜し、これをフレオン
でドライエッチングして所望の形状に加工した。Subsequently, from above the floating electrode layer 8, Ba 0.35
A thin film dielectric layer 9 doped with a donor dopant made of Sr 0.35 La 0.3 TiO 3 (thickness 15 nm) is formed by an RF sputtering method. Barium strontium acid (strontium / barium ratio = 0.5 /
0.5) of the upper thin-film dielectric layer 3b (thickness 100n).
m) was formed into a film by an RF sputtering method, and this was processed into a desired shape by dry etching with Freon.
【００５０】続いて、このように下層薄膜誘電体層３
ａ、浮き電極８、ドナードーパントをドープした薄膜誘
電体層上層薄膜誘電体層３ｂを含む薄膜誘電体層３上
に、金−ニッケル−金の積層膜（厚さは、下から順に、
金が２００ｎｍ、ニッケルが１０００ｎｍ、金が１００
ｎｍ）からなる上部電極層４をＤＣスパッタリング法で
成膜し、これを、市販のシアン化カリウム水溶液、希硝
酸、シアン化カリウム水溶液の順にエッチャントを用い
てウエットエッチングして所望の形状に加工した。Subsequently, the lower thin-film dielectric layer 3
a, a floating electrode 8, a laminated film of gold-nickel-gold (thickness in order from the bottom) on the thin film dielectric layer 3 including the upper thin film dielectric layer 3 b doped with a donor dopant.
200 nm for gold, 1000 nm for nickel, 100 for gold
The upper electrode layer 4 was formed into a desired shape by a DC sputtering method and wet-etched with a commercially available aqueous solution of potassium cyanide, diluted nitric acid, and an aqueous solution of potassium cyanide using an etchant in this order.
【００５１】続いて、上部電極層４の上に、シリカ（厚
さ３０００ｎｍ）からなる保護層５をＲＦスパッタリン
グ法で成膜し、これをフレオンでドライエッチングして
所望の形状に加工した。Subsequently, a protective layer 5 made of silica (thickness 3000 nm) was formed on the upper electrode layer 4 by an RF sputtering method, and this was processed into a desired shape by dry etching with Freon.
【００５２】最後に、露出した下部電極層２の一部、お
よび、露出した上部電極層４の一部の上に、市販の錫系
はんだペーストをスクリーン印刷し、リフロー炉中にお
いて３００℃で熱処理し、下部電極層２、または、上部
電極層４に接した外部端子６、７を形成した。Finally, a commercially available tin-based solder paste is screen-printed on a part of the exposed lower electrode layer 2 and a part of the exposed upper electrode layer 4, and heat-treated at 300 ° C. in a reflow furnace. Then, external terminals 6 and 7 in contact with the lower electrode layer 2 or the upper electrode layer 4 were formed.
【００５３】なお、保護層５の表面は、市販のシランカ
ップリング剤を使用して撥水処理を施した。The surface of the protective layer 5 was subjected to a water-repellent treatment using a commercially available silane coupling agent.
【００５４】かくして薄膜コンデンサＡを得た。
〔比較例１〕前記薄膜コンデンサＡを作製するに当り、
浮き電極層８およびドナードーパントをドープした薄膜
誘電体層９を配置せず、その他の構成を同一にして、例
えば、図３に示す従来構造の薄膜コンデンサＢを得た。Thus, a thin film capacitor A was obtained. [Comparative Example 1] In producing the thin film capacitor A,
The floating electrode layer 8 and the thin film dielectric layer 9 doped with the donor dopant were not arranged, and the other configurations were the same. For example, a thin film capacitor B having a conventional structure shown in FIG. 3 was obtained.
【００５５】これら薄膜コンデンサＡ、Ｂを、１２５℃
／３．７５Ｖ高温負荷試験を５００時間行った結果を表
１に示す。なお、絶縁抵抗は、直流２．５Ｖを６０秒間
印加して測定した。同表中の試料Ａ、Ｂはそれぞれ薄膜
コンデンサＡ、Ｂである。These thin film capacitors A and B were heated at 125 ° C.
Table 1 shows the results of performing the /3.75 V high-temperature load test for 500 hours. The insulation resistance was measured by applying DC 2.5 V for 60 seconds. Samples A and B in the table are thin film capacitors A and B, respectively.
【００５６】[0056]
【表１】 [Table 1]
【００５７】この表から明らかなとおり、本発明の薄膜
コンデンサＡは、従来の構成である薄膜コンデンサＢと
比較して、試験後の薄膜誘電体層３での絶縁抵抗の劣化
が抑えられている。As is clear from this table, the thin-film capacitor A of the present invention has less deterioration of the insulation resistance in the thin-film dielectric layer 3 after the test than the thin-film capacitor B having the conventional configuration. .
【００５８】即ち、絶縁抵抗の劣化（絶縁破壊）につい
て、前記薄膜誘電体層３中に、電気的極性の異なる前記
下部電極層２、上部電極層４との間にかかるパルス電界
を遮るように浮き電極層８を形成したことで、瞬間的な
高周波電界と言えるパルス電界がかかった際に、浮き電
極層８にて渦電流が発生して電磁エネルギーが熱に変換
され、そのため、パルス電界が薄膜誘電体層３を貫通す
ることがなく、その結果、従来の薄膜コンデンサに比べ
て過大なパルス電界がかかった場合でも、絶縁破壊が起
きにくくなている。また、前記薄膜誘電体層３中に、ド
ナードーパントをドープした薄膜誘電体層９を形成した
ことで酸素欠陥等のモバイルチャージの移動を抑制で
き、このため、酸素欠陥等のモバイルチャージが上部電
極層４または下部電極層２との界面に蓄積することを防
いで、絶縁劣化を抑制できる。That is, with respect to the deterioration (dielectric breakdown) of the insulation resistance, a pulse electric field applied between the lower electrode layer 2 and the upper electrode layer 4 having different electric polarities in the thin film dielectric layer 3 is blocked. By forming the floating electrode layer 8, when a pulsed electric field, which is an instantaneous high-frequency electric field, is applied, an eddy current is generated in the floating electrode layer 8 and electromagnetic energy is converted to heat. It does not penetrate the thin-film dielectric layer 3, and as a result, even if an excessively large pulsed electric field is applied as compared with a conventional thin-film capacitor, dielectric breakdown is less likely to occur. In addition, by forming the thin film dielectric layer 9 doped with a donor dopant in the thin film dielectric layer 3, the movement of mobile charges such as oxygen defects can be suppressed. Accumulation at the interface with the layer 4 or the lower electrode layer 2 is prevented, so that deterioration of insulation can be suppressed.
【００５９】[0059]
【発明の効果】以上の通り、本発明の薄膜コンデンサに
よれば、薄膜誘電体層中に、浮き電極層を形成したこと
で、瞬間的な高周波電界と言えるパルス電界がかかった
際に、浮き電極層にて渦電流が発生して電磁エネルギー
が熱に変換され、そのため、パルス電界が薄膜誘電体層
を貫通することがなく、その結果、過大なパルス電界が
かかった場合でも、薄膜誘電体層に絶縁破壊が起きにく
くなった。また、薄膜誘電体層中に、ドナードーパント
をドープした薄膜誘電体層を形成したことで酸素欠陥等
のモバイルチャージの移動を抑制でき、このため、酸素
欠陥等のモバイルチャージが上部電極層または下部電極
層との界面に蓄積することを防いで、絶縁劣化を抑制で
きる。As described above, according to the thin-film capacitor of the present invention, the floating electrode layer is formed in the thin-film dielectric layer, so that when a pulsed electric field which can be called an instantaneous high-frequency electric field is applied, the floating electrode layer is floated. An eddy current is generated in the electrode layer and the electromagnetic energy is converted into heat, so that the pulsed electric field does not penetrate the thin film dielectric layer. As a result, even when an excessive pulsed electric field is applied, the thin film dielectric Dielectric breakdown is less likely to occur in the layer. In addition, by forming a thin film dielectric layer doped with a donor dopant in the thin film dielectric layer, the movement of mobile charges such as oxygen vacancies can be suppressed. Accumulation at the interface with the electrode layer is prevented, so that insulation deterioration can be suppressed.
【図１】本発明の薄膜コンデンサの一例を示す概略断面
図である。FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of a thin film capacitor of the present invention.
【図２】本発明の薄膜コンデンサの一例を示す平面図で
ある。FIG. 2 is a plan view showing an example of the thin film capacitor of the present invention.
【図３】従来の薄膜コンデンサの概略断面図である。FIG. 3 is a schematic sectional view of a conventional thin film capacitor.
１：支持基板 ２：下部電極層 ３：薄膜誘電体層 ３ａ：下層薄膜誘電体層 ３ｂ：上層薄膜誘電体層 ８：浮き電極層 ９：ドナードーパントをドープした薄膜誘電体層 ４：上部電極層 ５：保護層 ６、７：外部端子 1: Support substrate 2: Lower electrode layer 3: Thin film dielectric layer 3a: lower thin film dielectric layer 3b: Upper thin film dielectric layer 8: Floating electrode layer 9: Thin film dielectric layer doped with donor dopant 4: Upper electrode layer 5: protective layer 6, 7: external terminal
Claims (5)
上部電極層を順次積層して成る薄膜コンデンサであっ
て、 前記薄膜誘電体層は、下層薄膜誘電体層、前記下部電極
層及び上部電極層と接続しない浮き電極層、ドナードー
パントをドープした薄膜誘電体層、上層薄膜誘電体層と
が積層して構成されていることを特徴とする薄膜コンデ
ンサ。A lower electrode layer, a thin film dielectric layer,
A thin film capacitor comprising an upper electrode layer sequentially laminated, wherein the thin film dielectric layer comprises a lower thin film dielectric layer, a floating electrode layer not connected to the lower electrode layer and the upper electrode layer, a thin film dielectric doped with a donor dopant. A thin film capacitor comprising a body layer and an upper thin film dielectric layer laminated.
形成されていることを特徴とする請求項１記載の薄膜コ
ンデンサ。2. The thin film capacitor according to claim 1, wherein said floating electrode layer is formed to a thickness of 30 nm or less.
ていることを特徴とする請求項１記載の薄膜コンデン
サ。3. The thin film capacitor according to claim 1, wherein said floating electrode layer is formed in a mesh shape.
ュの最大開口寸法が３ｍｍ／（εr）1/2 （但しεr：
薄膜誘電体層の比誘電率）以下であることを特徴とする
請求項３記載の薄膜コンデンサ。4. The mesh-like floating electrode layer has a maximum opening dimension of the mesh of 3 mm / (ε r ) 1/2 (where ε r :
4. The thin film capacitor according to claim 3, wherein the relative dielectric constant of the thin film dielectric layer is equal to or less than the specific dielectric constant.
電体層が１５ｎｍ以下の膜厚に形成されていることを特
徴とする請求項１記載の薄膜コンデンサ。5. The thin film capacitor according to claim 1, wherein the thin film dielectric layer doped with the donor dopant is formed to a thickness of 15 nm or less.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002158222A JP2003347155A (en) | 2002-05-30 | 2002-05-30 | Thin film capacitor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002158222A JP2003347155A (en) | 2002-05-30 | 2002-05-30 | Thin film capacitor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003347155A true JP2003347155A (en) | 2003-12-05 |
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ID=29773650
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002158222A Withdrawn JP2003347155A (en) | 2002-05-30 | 2002-05-30 | Thin film capacitor |
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| Country | Link |
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| JP (1) | JP2003347155A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7608881B2 (en) | 2005-11-28 | 2009-10-27 | Tdk Corporation | Thin-film device and method of manufacturing same |
| US7652349B2 (en) | 2005-11-11 | 2010-01-26 | Tdk Corporation | Thin-film device and method of manufacturing same |
-
2002
- 2002-05-30 JP JP2002158222A patent/JP2003347155A/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7652349B2 (en) | 2005-11-11 | 2010-01-26 | Tdk Corporation | Thin-film device and method of manufacturing same |
| US7608881B2 (en) | 2005-11-28 | 2009-10-27 | Tdk Corporation | Thin-film device and method of manufacturing same |
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