JP2020161795A - Dielectric film, electronic component, thin film capacitor, and electronic circuit board - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、誘電体膜、電子部品、薄膜キャパシタ、及び、電子回路基板に関する。 The present invention relates to dielectric films, electronic components, thin film capacitors, and electronic circuit boards.
電子機器内に許容される電子部品の実装スペースは、電子機器の小型化と共に縮小の傾向にある。キャパシタ(我が国では多くの場合「コンデンサ」と称する。)は、多くの電子機器に搭載される電子部品であるところ、やはり小型化や薄型化が必須である。薄膜キャパシタは、従来の厚膜法による積層セラミックキャパシタと比べ、基材、誘電体膜、絶縁膜等が薄く、より薄型化・低背化が可能である。そのため、薄膜キャパシタは低背かつ小スペースへ実装される電子部品として期待されている。さらに、電子部品基板に埋め込むといったキャパシタも近年になり開発されてきている。 The mounting space for electronic components allowed in an electronic device tends to shrink as the electronic device becomes smaller. Capacitors (often referred to as "capacitors" in Japan) are electronic components that are mounted on many electronic devices, and it is essential that they be made smaller and thinner. The thin film capacitor has thinner base material, dielectric film, insulating film, etc. than the conventional laminated ceramic capacitor by the thick film method, and can be made thinner and thinner. Therefore, thin film capacitors are expected as electronic components to be mounted in a small space with a low profile. Further, capacitors embedded in electronic component boards have been developed in recent years.
薄膜キャパシタは従来からある積層セラミックキャパシタと比較して電気容量が小さいものが多かった。電気容量の向上の方法の一つとして、誘電体膜の膜厚を薄くする方法がある。しかしながら、誘電体膜の膜厚を薄くすると、実際の使用時に誘電体膜の両端に印加される直流電圧が同じであっても、誘電体に印可される直流電界強度が大きくなる。そして、BaTiO3などの強誘電体の比誘電率は、直流電界強度が高くなるほど低下するといういわゆるDCバイアス特性を有しているため、膜厚を薄くしても電気容量を向上できない。 Many thin-film capacitors have a smaller electrical capacity than conventional multilayer ceramic capacitors. One of the methods for improving the electric capacity is to reduce the film thickness of the dielectric film. However, when the film thickness of the dielectric film is reduced, the DC electric field strength applied to the dielectric increases even if the DC voltage applied to both ends of the dielectric film is the same during actual use. Since the relative permittivity of a ferroelectric substance such as BaTiO 3 has a so-called DC bias characteristic that it decreases as the DC electric field strength increases, the electric capacity cannot be improved even if the film thickness is reduced.
また、誘電体膜の膜厚を薄くすることによって、直流電界強度が大きくなると、電界による素子破壊の恐れが大きくなるため、高い耐電圧特性も要求される。 Further, if the DC electric field strength is increased by reducing the film thickness of the dielectric film, the risk of element destruction due to the electric field increases, so that high withstand voltage characteristics are also required.
特許文献1には、誘電体膜に、K、Sr、MgおよびNbを含むタングステンブロンズ型複合酸化物を用いることにより、DCバイアス特性を向上させることが開示されている。 Patent Document 1 discloses that the DC bias characteristic is improved by using a tungsten bronze type composite oxide containing K, Sr, Mg and Nb for the dielectric film.
特許文献2には、表面にTi元素を有する導電性の基板上に、水熱合成法で形成されたBa1−xCaxZryTi1−yO3(但し、0<x<0.2、0<y<1)で表わされる誘電体薄膜を設けることにより、高い比誘電率と高い耐電圧特性を実現することが開示されている。 Patent Document 2, on a conductive substrate having a Ti element on the surface, Ba formed by hydrothermal synthesis method 1-x Ca x Zr y Ti 1-y O 3 ( where, 0 <x <0. It is disclosed that a high relative permittivity and a high withstand voltage characteristic are realized by providing a dielectric thin film represented by 2.0 <y <1).
しかしながら、特許文献1及び2においても、耐電圧特性とDCバイアス特性とを両立できているわけでは無い。 However, even in Patent Documents 1 and 2, the withstand voltage characteristic and the DC bias characteristic cannot be compatible with each other.
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであって、DCバイアス特性及び耐電圧特性を両立可能な誘電体膜、電子部品、薄膜キャパシタ及び、電子回路基板を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a dielectric film, an electronic component, a thin film capacitor, and an electronic circuit board capable of achieving both DC bias characteristics and withstand voltage characteristics. And.
本発明の一側面に掛かる誘電体膜は、ペロブスカイト構造を有する酸化物を含む誘電体膜である。ここで、前記酸化物は、(1)Bi、NaおよびTi、(2)Ba及びCaの少なくとも一方、及び、(3)La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,YbおよびYからなる群から選択される少なくとも1つの元素Ln、を含む。さらに、前記酸化物において、Bi、Na、Ba及びCaの原子数の合計に対するBi、Ba、及びCaの原子数の比を、それぞれ、XBi、XBa、及びXCaと表した場合に、0.2≦XBi/(XBa+XCa)≦5を満たす。 The dielectric film hanging on one aspect of the present invention is a dielectric film containing an oxide having a perovskite structure. Here, the oxides are (1) Bi, Na and Ti, (2) at least one of Ba and Ca, and (3) La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, It contains at least one element Ln, selected from the group consisting of Ho, Yb and Y. Further, when the ratio of the atomic numbers of Bi, Ba, and Ca to the total atomic number of Bi, Na, Ba, and Ca in the oxide is expressed as X Bi , X Ba , and X Ca , respectively, 0.2 ≤ X Bi / (X Ba + X Ca ) ≤ 5 is satisfied.
ここで、前記酸化物において、Bi、Na、Ba及びCaの原子数の合計に対するNaの原子数の比をXNaと表した場合に、0.9XBi≦XNa≦1.1XBiを満たすことができる。 Here, in the oxide, when the ratio of the number of atoms of Na to the total number of atoms of Bi, Na, Ba and Ca is expressed as X Na , 0.9 X Bi ≤ X Na ≤ 1.1 X Bi is satisfied. be able to.
また、前記酸化物において、Bi、Na、Ba及びCaの原子数の合計に対する、Tiの原子数の比が80%以上かつ120%以下であることができる。 Further, in the oxide, the ratio of the atomic number of Ti to the total atomic number of Bi, Na, Ba and Ca can be 80% or more and 120% or less.
前記酸化物において、Bi、Na、Ba及びCaの原子数の合計に対する、Lnの原子数の比が0.5〜20%であることができる。 In the oxide, the ratio of the number of atoms of Ln to the total number of atoms of Bi, Na, Ba and Ca can be 0.5 to 20%.
本発明の他の一側面に掛かる誘電体膜は、ペロブスカイト構造を有する酸化物を含む誘電体膜である。ここで、前記酸化物は、(1)Bi、K、及び、Ti、(2)Ba、Sr、及び、Caからなる群から選択される少なくとも一つ、及び、(3)La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,YbおよびYからなる群から選択される少なくとも1つの元素Ln、を含む。さらに、前記酸化物において、Bi、K、Ba、Sr、及び、Caの原子数の合計に対するBi、Ba、Sr、及び、Caの原子数の比を、それぞれ、XBi、XBa、XSr、及び、XCaと表した場合に、0.2≦XBi/(XBa+XSr+XCa)≦5を満たす。 The dielectric film hanging on the other aspect of the present invention is a dielectric film containing an oxide having a perovskite structure. Here, the oxide is at least one selected from the group consisting of (1) Bi, K, and Ti, (2) Ba, Sr, and Ca, and (3) La, Ce, Pr. , Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Yb and at least one element Ln selected from the group consisting of Y. Further, in the oxide, the ratio of the atomic numbers of Bi, Ba, Sr, and Ca to the total atomic number of Bi, K, Ba, Sr, and Ca is set to X Bi , X Ba , and X Sr , respectively. , And, when expressed as X Ca , 0.2 ≦ X Bi / (X Ba + X Sr + X Ca ) ≦ 5 is satisfied.
ここで、前記酸化物において、Bi、K、Ba、Sr、及び、Caの原子数の合計に対するKの原子数の比をXKと表した場合に、0.9XBi≦XK≦1.1XBiを満たすことができる。 Here, in the oxide, Bi, K, Ba, Sr, and a ratio of the number of atoms of K to the total number of atoms of Ca when expressed as X K, 0.9X Bi ≦ X K ≦ 1. 1X Bi can be satisfied.
また、前記酸化物において、Bi、K、Ba、Sr、及び、Caの原子数の合計に対する、Tiの原子数の比が80%以上かつ120%以下であることができる。 Further, in the oxide, the ratio of the number of atoms of Ti to the total number of atoms of Bi, K, Ba, Sr, and Ca can be 80% or more and 120% or less.
前記酸化物において、Bi、K、Ba,Sr、及び、Caの原子数の合計に対する、Lnの原子数の比が0.5〜20%であることができる。
本発明にかかる薄膜キャパシタは、上述の誘電体膜を備える。
本発明の一側面にかかる電子回路基板は、上述の誘電体膜を備える。
本発明に一側面にかかる電子回路基板は、上述の電子部品を備える。
本発明に一側面にかかる電子回路基板は、上述の薄膜キャパシタを備える。
In the oxide, the ratio of the number of atoms of Ln to the total number of atoms of Bi, K, Ba, Sr, and Ca can be 0.5 to 20%.
The thin film capacitor according to the present invention includes the above-mentioned dielectric film.
The electronic circuit board according to one aspect of the present invention includes the above-mentioned dielectric film.
The electronic circuit board according to one aspect of the present invention includes the above-mentioned electronic components.
The electronic circuit board according to one aspect of the present invention includes the above-mentioned thin film capacitor.
本発明によれば、DCバイアス特性及び耐電圧特性を両立可能な薄膜キャパシタ等が提供される。 According to the present invention, a thin film capacitor or the like capable of achieving both DC bias characteristics and withstand voltage characteristics is provided.
以下、本発明の第1実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, the first embodiment of the present invention will be described in detail.
(誘電体膜)
本発明の第1実施形態に係る誘電体膜は、ペロブスカイト構造を有する酸化物を含む。
この酸化物は下記の(1)〜(3)を含む。
(1)Bi、NaおよびTi
(2)Ba及びCaの少なくとも1種
(3)La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,YbおよびYからなる群から選択される少なくとも1種の元素Ln
(Dielectric film)
The dielectric film according to the first embodiment of the present invention contains an oxide having a perovskite structure.
This oxide includes the following (1) to (3).
(1) Bi, Na and Ti
(2) At least one of Ba and Ca (3) At least one element Ln selected from the group consisting of La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Yb and Y.
この酸化物において、Bi、Na、Ba及びCaの原子数の合計に対するBi、Ba、及びCaの原子数の比を、それぞれ、XBi、XBa、及びXCaと表した場合に、
0.2≦XBi/(XBa+XCa)≦5を満たす。上限は4.5以下が好ましく、4以下がより好ましい。
In this oxide, when the ratio of the atomic numbers of Bi, Ba, and Ca to the total atomic number of Bi, Na, Ba , and Ca is expressed as X Bi , X Ba , and X Ca , respectively,
0.2 ≤ X Bi / (X Ba + X Ca ) ≤ 5 is satisfied. The upper limit is preferably 4.5 or less, and more preferably 4 or less.
この酸化物において、Bi、Na、Ba及びCaの原子数の合計に対するNaの原子数の比をXNaと表した場合に、0.9XBi≦XNa≦1.1XBiを満たすことができる。好ましくは、0.95XBi≦XNa≦1.05XBiである。好ましくは、0.98XBi≦XNa≦1.02XBiであり、XNa=XBiであってもよい。 In this oxide, Bi, Na, the atomic ratio of Na to the total number of atoms of Ba and Ca in the case expressed as X Na, may satisfy 0.9X Bi ≦ X Na ≦ 1.1X Bi .. Preferably, 0.95X Bi ≤ X Na ≤ 1.05X Bi . Preferably, 0.98 X Bi ≤ X Na ≤ 1.02 X Bi , and X Na = X Bi may be used.
この酸化物において、Bi、Na、Ba及びCaの原子数の合計に対する、Tiの原子数の比が80%以上かつ120%以下であることができる。当該Tiの原子数の比は、85%以上でもよく、90%以上でもよく、95%以上でもよく、115%以下でもよく、110%以下でもよく、105%以下でもよい。 In this oxide, the ratio of the number of atoms of Ti to the total number of atoms of Bi, Na, Ba and Ca can be 80% or more and 120% or less. The ratio of the number of atoms of the Ti may be 85% or more, 90% or more, 95% or more, 115% or less, 110% or less, 105% or less.
この酸化物において、Bi、Na、Ba及びCaの原子数の合計に対する、Lnの原子数の比は0.5〜20%であることができる。このLnの原子数の比は1〜15%であることが好ましい。 In this oxide, the ratio of the number of atoms of Ln to the total number of atoms of Bi, Na, Ba and Ca can be 0.5 to 20%. The ratio of the number of atoms of Ln is preferably 1 to 15%.
この酸化物において、Bi、Na、Ba及びCaの原子数の合計に対するBa、及びCaの原子数の合計の比は、10〜70%とすることができる。 In this oxide, the ratio of the total number of atoms of Ba and Ca to the total number of atoms of Bi, Na, Ba and Ca can be 10 to 70%.
この酸化物は、Ba又はCaのうちの少なくとも一方を含めばよいが、Ba及びCaの両方を含んでもよい。この酸化物は、Srを含まないことが好適である。 This oxide may contain at least one of Ba or Ca, but may contain both Ba and Ca. It is preferable that this oxide does not contain Sr.
元素Lnの中でも、Laが好ましい。 Among the elements Ln, La is preferable.
ペロブスカイト構造とは一般にABX3で表される結晶構造である。Aサイトの陽イオンが6面体の単位格子の頂点に位置し、この単位格子の体心にBサイトの陽イオンが位置し、この単位格子の面心にXサイトの陰イオンが位置する。本発明では、AサイトにBa2+,Ca2+、Bi3+、Na+、及びLnイオンなどの陽イオン(2価、又は、1価と3価の組み合わせ)が入り、BサイトにTi4+イオンなどの4価の陽イオンが入り、XサイトにO2−イオンなどの2価の陰イオンが入る。Lnイオンは、Bサイトに入ることもできる。 The perovskite structure is a crystal structure generally represented by ABX 3 . The A-site cation is located at the apex of the hexahedral unit cell, the B-site cation is located at the body center of this unit cell, and the X-site anion is located at the face center of this unit cell. In the present invention, cations (divalent or a combination of monovalent and trivalent) such as Ba 2+ , Ca 2+ , Bi 3+ , Na + , and Ln ions enter the A site, and Ti 4+ ions and the like enter the B site. The tetravalent cation of the above enters, and the divalent anion such as O 2- ion enters the X site. Ln ions can also enter the B site.
上記酸化物は、誘電体膜の70質量%以上を占めてよく、80質量%以上、90質量%以上、95質量%以上、99質量%以上を占めてよく、100質量%を占めてもよい。 The oxide may occupy 70% by mass or more of the dielectric film, 80% by mass or more, 90% by mass or more, 95% by mass or more, 99% by mass or more, or 100% by mass. ..
誘電体膜の厚みに限定はないが、例えば、10nm〜2000nmとすることができ、50nm〜1000nmであることが好適である。 The thickness of the dielectric film is not limited, but can be, for example, 10 nm to 2000 nm, preferably 50 nm to 1000 nm.
このような誘電体膜は、DCバイアス特性および耐電圧特性の両方に優れる。この理由は明らかでないが、発明者らは、以下のように考えている。 Such a dielectric film is excellent in both DC bias characteristics and withstand voltage characteristics. The reason for this is not clear, but the inventors think as follows.
ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物における比誘電率の発現は、交流電圧に対する、各元素のイオンの変位に起因するものであり、電圧が強いとイオンの変位が飽和することで、DCバイアスによる比誘電率の低下がおこる。ペロブスカイト型結晶構造のイオンの変位には、AサイトとBサイトのイオンと、酸素のイオンの結合の組合せが重要であり、Bi,NaおよびTiを含有するペロブスカイト型結晶構造に、Ba及びCaから選ばれる少なくとも1種以上を含むときに、0.2≦XBi/(XBa+XCa)≦5を満たすことにより、各結合の自由度が広がることで、イオンの変位が飽和するDCバイアスの大きさが、大きくなっていると考えている。 The development of the relative permittivity in an oxide having a perovskite-type crystal structure is due to the displacement of the ions of each element with respect to the AC voltage, and when the voltage is strong, the displacement of the ions is saturated, resulting in a DC bias. The relative permittivity decreases. The combination of the bonds of A-site and B-site ions and oxygen ions is important for the ionic displacement of the perovskite-type crystal structure, and the perovskite-type crystal structure containing Bi, Na and Ti can be obtained from Ba and Ca. By satisfying 0.2 ≤ X Bi / (X Ba + X Ca ) ≤ 5 when at least one selected is included, the degree of freedom of each bond is widened, and the displacement of ions is saturated. I think the size is getting bigger.
また、Bi,NaおよびTiを含有するペロブスカイト構造の酸化物のキュリー点は約300℃であるが、Ba,Caの中から選ばれる少なくとも1種以上を含むことで、Bi,NaおよびTiを含有するペロブスカイト型酸化物のキュリー点が室温付近に近づくことにより、比誘電率の絶対値が高くなり、DCバイアス印加時の比誘電率も大きくなると考えている。 Further, the Curie point of the oxide having a perovskite structure containing Bi, Na and Ti is about 300 ° C., but Bi, Na and Ti are contained by containing at least one selected from Ba and Ca. It is considered that the absolute value of the relative permittivity increases and the relative permittivity when DC bias is applied also increases as the Curie point of the perovskite-type oxide approaches room temperature.
さらに、La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,YbおよびYのイオンの価数は+3価を含む、複数の価数を取り、ペロブスカイト構造のABサイト両方に入ることが可能であることから、酸素欠陥などの欠陥によって発生する電荷の移動が抑えられることで、電荷の集中が減少し、耐電圧の向上がなされると考えている。 In addition, the valences of the La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Yb and Y ions take multiple valences, including +3 valences, on both perovskite-structured AB sites. Since it is possible to enter, it is thought that by suppressing the movement of charges generated by defects such as oxygen defects, the concentration of charges is reduced and the withstand voltage is improved.
また、本実施形態に係る誘電体膜は、上記酸化物以外に、本発明の効果を奏する範囲内において、微量な不純物、副成分等を含んでいてもよい。このような成分としては、たとえば、Cr、Mo等が例示される。
例えば、誘電体膜は、Sc(スカンジウム)、Y(イットリウム)、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Pr(プラセオジム)、Nd(ネオジム)、Pm(プロメチウム)、Sm(サマリウム)、Eu(ユーロピウム)、Gd(ガドリニウム)、Tb(テルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Ho(ホルミウム)、Er(エルビウム)、Tm(ツリウム)、Yb(イッテルビウム)及びLu(ルテチウム)からなる群より選ばれる少なくとも一種の希土類元素を更に含んでよい。誘電体膜が希土類元素を更に含むことにより、誘電体膜のDCバイアス特性が向上する場合がある。
In addition to the above oxides, the dielectric film according to the present embodiment may contain trace impurities, subcomponents, and the like within the range in which the effects of the present invention are exhibited. Examples of such a component include Cr, Mo and the like.
For example, the dielectric film is Sc (scandium), Y (yttrium), La (lantern), Ce (cerium), Pr (placeodium), Nd (neodymium), Pm (promethium), Sm (samarium), Eu (europyum). ), Gd (gadolinium), Tb (terbium), Dy (dysprosium), Ho (holmium), Er (erbium), Tm (thulium), Yb (yttrium) and Lu (lutetium) at least one selected from the group. It may further contain rare earth elements. When the dielectric film further contains rare earth elements, the DC bias characteristics of the dielectric film may be improved.
以下、本発明の第2実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, the second embodiment of the present invention will be described in detail.
(誘電体膜)
本発明の第2実施形態に係る誘電体膜は、ペロブスカイト構造を有する酸化物を含む。
この酸化物は下記の(1)〜(3)を含む。
(1)Bi、K、及び、Ti
(2)Ba、Sr、及びCaからなる群から選択される少なくとも1つ
(3)La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,YbおよびYからなる群から選択される少なくとも1種の元素Ln
(Dielectric film)
The dielectric film according to the second embodiment of the present invention contains an oxide having a perovskite structure.
This oxide includes the following (1) to (3).
(1) Bi, K, and Ti
(2) At least one selected from the group consisting of Ba, Sr, and Ca (3) Selected from the group consisting of La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Yb, and Y. At least one element Ln
この酸化物において、Bi、K、Ba、Sr、及び、Caの原子数の合計に対するBi、Ba、Sr、及び、Caの原子数の比を、それぞれ、XBi、XBa、XSr、及び、XCaと表した場合に、0.2≦XBi/(XBa+XSr+XCa)≦5を満たす。上限は4.5以下が好ましく、4以下がより好ましい。 In this oxide, the ratio of the atomic numbers of Bi, Ba, Sr, and Ca to the total atomic number of Bi, K, Ba, Sr, and Ca is determined by X Bi , X Ba , X Sr , and, respectively. , X Ca , 0.2 ≦ X Bi / (X Ba + X Sr + X Ca ) ≦ 5. The upper limit is preferably 4.5 or less, and more preferably 4 or less.
この酸化物において、Bi、K、Ba、Sr、及び、Caの原子数の合計に対するKの原子数の比をXKと表した場合に、0.9XBi≦XK≦1.1XBiを満たすことができる。好ましくは、0.95XBi≦XK≦1.05XBiである。好ましくは、0.98XBi≦XK≦1.02XBiであり、XK=XBiであってもよい。 In this oxide, Bi, K, Ba, Sr, and, when the ratio of the number of atoms of K to the total number of atoms of Ca expressed as X K, a 0.9X Bi ≦ X K ≦ 1.1X Bi Can be met. Preferably, 0.95 X Bi ≤ X K ≤ 1.05 X Bi . Preferably, 0.98 X Bi ≤ X K ≤ 1.02 X Bi , and X K = X Bi may be used.
この酸化物において、Bi、K、Ba、Sr、及び、Caの原子数の合計に対する、Tiの原子数の比が80%以上かつ120%以下であることができる。当該Tiの原子数の比は、85%以上でもよく、90%以上でもよく、95%以上でもよく、115%以下でもよく、110%以下でもよく、105%以下でもよい。 In this oxide, the ratio of the number of atoms of Ti to the total number of atoms of Bi, K, Ba, Sr, and Ca can be 80% or more and 120% or less. The ratio of the number of atoms of the Ti may be 85% or more, 90% or more, 95% or more, 115% or less, 110% or less, 105% or less.
この酸化物において、Bi、K、Ba、Sr、及び、Caの原子数の合計に対する、Lnの原子数の比は0.5〜20%であることができる。このLnの原子数の比は1〜15%であることが好ましい。 In this oxide, the ratio of the number of atoms of Ln to the total number of atoms of Bi, K, Ba, Sr, and Ca can be 0.5 to 20%. The ratio of the number of atoms of Ln is preferably 1 to 15%.
この酸化物において、Bi、K、Ba,Sr、及び、Caの原子数の合計に対するBa、Sr、及び、Caの原子数の合計の比は、10〜70%とすることができる。 In this oxide, the ratio of the total number of atoms of Ba, Sr, and Ca to the total number of atoms of Bi, K, Ba, Sr, and Ca can be 10 to 70%.
この酸化物は、Ba、Sr、及び、Caのうちの少なくとも一つを含めばよいが、Ba及びSrの組み合わせ、Ba及びCaの組み合わせ、及び、Sr及びCaの組み合わせを含んでもよく、Ba,Sr、及びCaの全部の組み合わせを含んでもよい。 This oxide may contain at least one of Ba, Sr, and Ca, but may also include a combination of Ba and Sr, a combination of Ba and Ca, and a combination of Sr and Ca, Ba, It may contain all combinations of Sr and Ca.
元素Lnの中でも、Laが好ましい。 Among the elements Ln, La is preferable.
ペロブスカイト構造とは一般にABX3で表される結晶構造である。Aサイトの陽イオンが6面体の単位格子の頂点に位置し、この単位格子の体心にBサイトの陽イオンが位置し、この単位格子の面心にXサイトの陰イオンが位置する。本発明では、AサイトにBa2+,Sr2+、Ca2+、Bi3+、K+、及びLnイオンなどの陽イオン(2価、又は、1価と3価の組み合わせ)が入り、BサイトにTi4+イオンなどの4価の陽イオンが入り、XサイトにO2−イオンなどの2価の陰イオンが入る。Lnイオンは、Bサイトに入ることもできる。 The perovskite structure is a crystal structure generally represented by ABX 3 . The A-site cation is located at the apex of the hexahedral unit cell, the B-site cation is located at the body center of this unit cell, and the X-site anion is located at the face center of this unit cell. In the present invention, cations such as Ba 2+ , Sr 2+ , Ca 2+ , Bi 3+ , K + , and Ln ions (divalent or a combination of monovalent and trivalent) are contained in the A site, and Ti is contained in the B site. A tetravalent cation such as a 4+ ion enters, and a divalent anion such as an O2 - ion enters the X site. Ln ions can also enter the B site.
上記酸化物は、誘電体膜の70質量%以上を占めてよく、80質量%以上、90質量%以上、95質量%以上、99質量%以上を占めてよく、100質量%を占めてもよい。 The oxide may occupy 70% by mass or more of the dielectric film, 80% by mass or more, 90% by mass or more, 95% by mass or more, 99% by mass or more, or 100% by mass. ..
誘電体膜の厚みに限定はないが、例えば、10nm〜2000nmとすることができ、50nm〜1000nmであることが好適である。 The thickness of the dielectric film is not limited, but can be, for example, 10 nm to 2000 nm, preferably 50 nm to 1000 nm.
このような誘電体膜は、DCバイアス特性および耐電圧特性の両方に優れる。この理由は明らかでないが、発明者らは、以下のように考えている。 Such a dielectric film is excellent in both DC bias characteristics and withstand voltage characteristics. The reason for this is not clear, but the inventors think as follows.
ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物における比誘電率の発現は、交流電圧に対する、各元素のイオンの変位に起因するものであり、電圧が強いとイオンの変位が飽和することで、DCバイアスによる比誘電率の低下がおこる。ペロブスカイト型結晶構造のイオンの変位には、AサイトとBサイトのイオンと、酸素のイオンの結合の組合せが重要であり、Bi,KおよびTiを含有するペロブスカイト型結晶構造に、Ba、Sr、及びCaから選ばれる少なくとも1種以上を含むときに、0.2≦XBi/(XBa+XSr+XCa)≦5を満たすことにより、各結合の自由度が広がることで、イオンの変位が飽和するDCバイアスの大きさが、大きくなっていると考えている。 The expression of the relative permittivity in an oxide having a perovskite-type crystal structure is due to the displacement of the ions of each element with respect to the AC voltage. The relative permittivity decreases. The combination of A-site and B-site ions and oxygen ion bonds is important for the ionic displacement of the perovskite-type crystal structure, and the perobskite-type crystal structure containing Bi, K, and Ti has Ba, Sr, and Ba, Sr. And when at least one selected from Ca is contained, by satisfying 0.2 ≦ X Bi / (X Ba + X Sr + X Ca ) ≦ 5, the degree of freedom of each bond is widened, and the displacement of ions is increased. We believe that the magnitude of the saturated DC bias is increasing.
また、Bi,K、及び、Tiを含有するペロブスカイト構造の酸化物のキュリー点は約300℃であるが、Ba、Sr、及び、Caの中から選ばれる少なくとも1種以上を含むことで、Bi,K、及び、Tiを含有するペロブスカイト型酸化物のキュリー点が室温付近に近づくことにより、比誘電率の絶対値が高くなり、DCバイアス印加時の比誘電率も大きくなると考えている。 Further, the Curie point of the oxide having a perovskite structure containing Bi, K, and Ti is about 300 ° C., but by containing at least one selected from Ba, Sr, and Ca, Bi It is considered that the absolute value of the relative permittivity increases and the relative permittivity when DC bias is applied also increases as the Curie point of the perovskite-type oxide containing, K, and Ti approaches room temperature.
さらに、La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,YbおよびYのイオンの価数は+3価を含む、複数の価数を取り、ペロブスカイト構造のABサイト両方に入ることが可能であることから、酸素欠陥などの欠陥によって発生する電荷の移動が抑えられることで、電荷の集中が減少し、耐電圧の向上がなされると考えている。 In addition, the valences of the La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Yb and Y ions take multiple valences, including +3 valences, on both perovskite-structured AB sites. Since it is possible to enter, it is thought that by suppressing the movement of charges generated by defects such as oxygen defects, the concentration of charges is reduced and the withstand voltage is improved.
また、本実施形態に係る誘電体膜は、上記酸化物以外に、本発明の効果を奏する範囲内において、微量な不純物、副成分等を含んでいてもよい。このような成分としては、たとえば、Cr、Mo等が例示される。
例えば、誘電体膜は、Sc(スカンジウム)、Y(イットリウム)、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Pr(プラセオジム)、Nd(ネオジム)、Pm(プロメチウム)、Sm(サマリウム)、Eu(ユーロピウム)、Gd(ガドリニウム)、Tb(テルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Ho(ホルミウム)、Er(エルビウム)、Tm(ツリウム)、Yb(イッテルビウム)及びLu(ルテチウム)からなる群より選ばれる少なくとも一種の希土類元素を更に含んでよい。誘電体膜が希土類元素を更に含むことにより、誘電体膜のDCバイアス特性が向上する場合がある。
In addition to the above oxides, the dielectric film according to the present embodiment may contain trace impurities, subcomponents, and the like within the range in which the effects of the present invention are exhibited. Examples of such a component include Cr, Mo and the like.
For example, the dielectric film is Sc (scandium), Y (yttrium), La (lantern), Ce (cerium), Pr (placeodium), Nd (neodymium), Pm (promethium), Sm (samarium), Eu (europyum). ), Gd (gadolinium), Tb (terbium), Dy (dysprosium), Ho (holmium), Er (erbium), Tm (thulium), Yb (yttrium) and Lu (lutetium) at least one selected from the group. It may further contain rare earth elements. When the dielectric film further contains rare earth elements, the DC bias characteristics of the dielectric film may be improved.
(誘電体膜の製造方法)
上記の誘電体膜は、種々の方法により製造することができる。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、パルスレーザー蒸着法(Pulsed Laser Deposition:PLD)、有機金属化学気相成長法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)、有機金属分解法(Metal Organic Decomposition:MOD)、ゾル・ゲル法、化学溶液堆積法(Chemical Solution Deposition:CSD)等が例示される。
(Manufacturing method of dielectric film)
The above-mentioned dielectric film can be produced by various methods. Known film forming methods include, for example, vacuum vapor deposition, sputtering, pulsed laser deposition (PLD), metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), and organic metal decomposition. Examples include the method (Metal Organic Decomposition: MOD), the sol-gel method, and the chemical solution deposition method (CSD).
具体的に、各成膜法で用いる原料組成物における金属元素の比率を上記の範囲とすればよい。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。 Specifically, the ratio of metal elements in the raw material composition used in each film forming method may be within the above range. The raw materials used for film formation (deposited materials, various target materials, organic metal materials, etc.) may contain trace amounts of impurities, subcomponents, etc. No problem.
たとえば、スパッタリング法を用いる場合、まず上記の金属組成を有する酸化物ターゲットを作成する。具体的には、各金属を含有する化合物の粉末、例えば、炭酸塩、酸化物、水酸化物等を用意し、金属元素の比率が上記の範囲内となるように混合して混合粉末を得る。混合は、水中で、例えば、ボールミルなどを用いて行うことが好適である。次に、混合粉末を成形して成形体を得る。成形圧力は例えば10〜200Paとすることができる。 For example, when the sputtering method is used, an oxide target having the above metal composition is first prepared. Specifically, powders of compounds containing each metal, for example, carbonates, oxides, hydroxides, etc. are prepared and mixed so that the ratio of metal elements is within the above range to obtain a mixed powder. .. Mixing is preferably carried out in water using, for example, a ball mill. Next, the mixed powder is molded to obtain a molded product. The molding pressure can be, for example, 10 to 200 Pa.
その後、得られた成形体を焼成して焼成体を得る。焼成条件は、保持温度を900〜1300℃、温度保持時間は1〜10時間、雰囲気は、空気などの酸化雰囲気中とすることができる。最後に、得られた焼成体を、円盤状に加工して、スパッタリング用ターゲットを得ることができる。 Then, the obtained molded product is fired to obtain a fired product. The firing conditions are such that the holding temperature is 900 to 1300 ° C., the temperature holding time is 1 to 10 hours, and the atmosphere is an oxidizing atmosphere such as air. Finally, the obtained fired body can be processed into a disk shape to obtain a target for sputtering.
次に、得られたターゲットをスパッタして基材上に上記の誘電体膜を堆積膜として形成する。スパッタリングの条件は特に限定されないが、高周波(RF)スパッタリングが好ましく、電力は100W〜300Wとすることができ、雰囲気は酸素含有雰囲気が好ましく、なかでも酸素含有アルゴンガス雰囲気が好ましく、アルゴン(Ar)/酸素(O2)比は好ましくは1/1〜5/1であり、基板温度は好ましくは室温〜200℃とすることができる。 Next, the obtained target is sputtered to form the above-mentioned dielectric film as a deposited film on the substrate. Sputtering conditions are not particularly limited, but high-frequency (RF) sputtering is preferable, the power can be 100 W to 300 W, and the atmosphere is preferably an oxygen-containing atmosphere, particularly an oxygen-containing argon gas atmosphere, and argon (Ar). The / oxygen (O 2 ) ratio is preferably 1/1 to 5/1, and the substrate temperature can be preferably room temperature to 200 ° C.
スパッタリングにより誘電体膜を形成した後、急速加熱アニール処理(RapidThermal Anneal:RTA)を施すことも好適である。RTAを施す条件として、雰囲気は大気雰囲気であることが好ましく、昇温速度を100℃/分以上とすることが好ましく、アニール時間は0.5〜120分とすることが好ましく、アニール温度を700℃以上1000℃以下とすることが好ましい。 It is also preferable to perform rapid thermal annealing (RTA) after forming a dielectric film by sputtering. As conditions for applying RTA, the atmosphere is preferably an atmospheric atmosphere, the heating rate is preferably 100 ° C./min or more, the annealing time is preferably 0.5 to 120 minutes, and the annealing temperature is 700. The temperature is preferably ℃ or more and 1000 ℃ or less.
(薄膜キャパシタ)
続いて、図1を参照して、本発明の実施形態に係る誘電体膜を有する電子部品の一例として薄膜キャパシタを説明する。
(Thin film capacitor)
Subsequently, with reference to FIG. 1, a thin film capacitor will be described as an example of an electronic component having a dielectric film according to an embodiment of the present invention.
本発明の実施形態に係る薄膜キャパシタ100は、基板10、密着膜20、下部電極30、誘電体膜40、及び、上部電極50をこの順に有する。
The
(基板)
基板10は、その上に形成される密着膜20、下部電極30、誘電体膜40および上部電極50を支持する。基板10の材料は、上記の各層を支持できる程度の機械的強度を有する材料であれば特に限定されない。基板10の例は、Si単結晶、SiGe単結晶、GaAs単結晶、InP単結晶、SrTiO3単結晶、MgO単結晶、LaAlO3単結晶、ZrO2単結晶、MgAl2O4単結晶、NdGaO3単結晶等の単結晶基板;Al2O3多結晶、ZnO多結晶、SiO2多結晶等のセラミック多結晶基板;及び、Ni、Cu、Ti、W、Mo、Al、Pt及びこれらの合金から選択される金属基板である。低コスト、及び、加工性等の観点から、Si単結晶基板が好適である。
(substrate)
The
基板10の厚みは、たとえば、10μm〜5000μmであることができる。厚みが小さすぎると、機械的強度が確保できない場合が生じることがあり、厚みが大きすぎると、電子部品の小型化に寄与できないといった問題が生じる場合がある。
The thickness of the
上記の基板10は、基板の材質によってその電気抵抗率が異なる。電気抵抗率が低い材料で基板を構成する場合、薄膜キャパシタの作動時に基板10側への電流のリークが生じ、薄膜キャパシタの電気特性に影響を及ぼすことがある。そのため、基板10の電気抵抗率が低い場合には、その表面に電気絶縁処理を施し、キャパシタ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。
The electrical resistivity of the above-mentioned
たとえば、基板10がSi単結晶基板である場合においては、基板10の表面に絶縁膜が形成されていることが好ましい。基板10と下部電極30との絶縁が十分に確保されていれば、絶縁膜を構成する材料およびその厚みは特に限定されない。絶縁膜を構成する材料の例は、SiO2、Al2O3、Si3Nxである。また、絶縁膜の厚みは、0.01μm以上であることが好ましい。絶縁膜は、基板10における密着膜20側(下部電極30側)に設けられることが好ましい。絶縁膜は、熱酸化法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等の公知の成膜法により形成できる。
For example, when the
(密着膜)
密着膜20は、基板10と下部電極30との間に設けられ、基板10と下部電極30との密着性を向上させる。密着膜20の材料は、基板10と下部電極30との密着性が十分に確保できる材料であれば特に制限されない。たとえば、下部電極30がCu膜である場合には、密着膜20はCr膜であることができ、下部電極30がPt膜である場合には、密着膜20はTi膜であることができる。密着膜20の厚みは、例えば、5〜50nmとすることができる。
(Adhesion film)
The
(下部電極)
基板10の上には、密着膜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、上部電極50とともに誘電体膜40を挟み、キャパシタ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、Pt、Ru、Rh、Pd、Ir、Au、Ag、Cu、Ni等の金属、それらの合金、又は、導電性酸化物等が例示される。
(Lower electrode)
The
下部電極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。下部電極30の厚みは10nm以上であることが好ましく、薄膜化の観点から300nm以下であることが好適である。
The thickness of the
(誘電体膜)
誘電体膜40は、上述した誘電体膜である。上述のように、誘電体膜40の厚みは、10nm〜2000nmとすることができ、好ましくは50nm〜1000nmである。誘電体膜40の厚みは、誘電体膜40を含む薄膜キャパシタ100を、FIB(集束イオンビーム)加工装置で掘削し、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。
(Dielectric film)
The
(上部電極)
誘電体膜40の上面には、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、キャパシタとして機能させるための電極である。
(Upper electrode)
An
上部電極50の材料は、下部電極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。材料の例は、Pt、Ru、Rh、Pd、Ir、Au、Ag、Cu、Ni等の金属、それらの合金、又は、導電性酸化物であり、下部電極30の材料と同一であっても良いし、異なっていてもよい。上部電極50の厚みは、下部電極30と同様にすることができる。
The material of the
また、薄膜キャパシタ100は、誘電体膜40の側面などを被覆し、誘電体膜40を外部雰囲気から遮断するための保護膜70を有していてもよい。保護層の材料の例は、エポキシ等の樹脂である。
Further, the
なお、薄膜キャパシタ100の形状に特に制限はないが、通常、厚み方向から見て、直方体形状とされる。またその寸法にも特に制限はなく、厚みや長さは用途に応じて適当な寸法とすればよい。
The shape of the
下部電極30と誘電体膜40と上部電極50とはキャパシタ部60を形成している。下部電極30および上部電極50が外部回路に接続されて電極間に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、キャパシタとしての機能を発揮する。特に、本実施形態では、上述の誘電体膜40を使用しているので、高いDCバイアス特性と高い耐電圧を両立することができる。
The
(薄膜キャパシタの製造方法)
次に、図1に示す薄膜キャパシタ100の製造方法の一例について以下に説明する。
(Manufacturing method of thin film capacitor)
Next, an example of the method for manufacturing the
まず、基板10を準備し、基板10上に、スパッタリング法などの公知の成膜法により密着膜20、及び、下部電極30を形成する。
First, the
下部電極30の形成後に、密着膜20と下部電極30との密着性向上、および、下部電極30の安定性向上を図る目的で、熱処理を行ってもよい。熱処理条件としては、たとえば、昇温速度は好ましくは10℃/分〜2000℃/分、より好ましくは100℃/分〜1000℃/分である。熱処理時の保持温度は、好ましくは400℃〜800℃、その保持時間は、好ましくは0.1時間〜4.0時間である。熱処理条件が上記の範囲外である場合には、密着膜20と下部電極30との密着不良、下部電極30の表面に凹凸が発生しやすくなる。その結果、誘電体膜40の誘電特性の低下が生じやすくなる。
After the formation of the
続いて、下部電極30上に、上述の方法により誘電体膜40を形成する。必要に応じて、上述のアニーリングを行うことができる。
Subsequently, the
次に、形成した誘電体膜40上に、スパッタリング法等の公知の成膜法を用いて上部電極50を形成する。
Next, the
以上の工程を経て、図1に示すように、基板10上に、密着膜20を介して、キャパシタ部(下部電極30、誘電体膜40および上部電極50)60が形成された薄膜キャパシタ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。
Through the above steps, as shown in FIG. 1, a
(変形例)
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。
例えば、下部電極30と上部電極50との間に、誘電体膜40とは別の材料の誘電体膜をさらに設けてもよい。例えば、Si3Nx、SiOx、Al2Ox、ZrOx、Ta2Ox等のアモルファス膜又は結晶膜と、上述の誘電体膜40との積層構造とすることで、複数の誘電体膜の全体で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。
(Modification example)
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and may be modified in various ways within the scope of the present invention.
For example, a dielectric film made of a material different from that of the
また、上述した実施形態では、基板10と下部電極30との密着性を向上させるために、密着膜20を形成しているが、基板10と下部電極30との密着性が十分確保できる場合には、密着膜20は省略することができる。また、基板10を構成する材料として、電極として使用可能なCu、Pt等の金属、それらの合金、酸化物導電性材料等を用いる場合には、密着膜20および下部電極30は省略することができる。
Further, in the above-described embodiment, the
また、本実施形態に係る誘電体膜は、キャパシタ以外にも、電子回路基板、圧電素子等の電子部品に利用することができる。
(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キャパシタなどの電子部品を備えてもよい。薄膜キャパシタ等の電子部品は、電子回路基板の表面に設置されていてよい。薄膜キャパシタ等の電子部品は、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キャパシタ91と、樹脂層93及び薄膜キャパシタ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、薄膜キャパシタ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キャパシタ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。薄膜キャパシタ91の下地電極が未硬化樹脂層に面するように、薄膜キャパシタ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キャパシタ91を絶縁性被覆層94で覆うことにより、薄膜キャパシタ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、薄膜キャパシタ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、薄膜キャパシタ91に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。
Further, the dielectric film according to the present embodiment can be used for electronic components such as electronic circuit boards and piezoelectric elements in addition to capacitors.
(Electronic circuit board)
The electronic circuit board according to this embodiment includes the above-mentioned dielectric film. The electronic circuit board may include electronic components such as a thin film capacitor containing the above-mentioned dielectric film. Electronic components such as thin film capacitors may be installed on the surface of the electronic circuit board. Electronic components such as thin film capacitors may be embedded in the electronic circuit board.
An example of the electronic circuit board is shown in (a) in FIG. 2 and (b) in FIG. The
As shown in FIG. 2B, the
The
以下、実施例及び比較例を用いて、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。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
(実施例、比較例)
まず、誘電体膜の形成に必要なスパッタリング用ターゲットを固相法により以下のようにして作製した。
(Example, comparative example)
First, the target for sputtering required for forming the dielectric film was prepared by the solid phase method as follows.
ターゲット作製用の原料粉末として、炭酸バリウム、炭酸ストロンチウム、炭酸カルシウム、酸化チタン、酸化ビスマス、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、水酸化ランタン、酸化セリウム、酸化プラセオジウム、酸化ネオジウム、酸化サマリウム、酸化ユーロピウム、酸化ガドリニウム、酸化テルビウム、酸化ディスプロシウム、酸化ホロニウム、酸化イッテルビウム、酸化イットリウムの粉末を準備した。これらの粉末を、各金属の原子数が第1実施形態については表1及び表2に示す組成となるように、第2実施形態については表3及び表4に示す組成となるようにそれぞれ秤量した。 Raw material powders for target preparation include barium carbonate, strontium carbonate, calcium carbonate, titanium oxide, bismuth oxide, sodium carbonate, potassium carbonate, lanthanum hydroxide, cerium oxide, praseodymium oxide, neodymium oxide, samarium oxide, europium oxide, and gadolinium oxide. , Terbium oxide, dysprosium oxide, holonium oxide, ytterbium oxide, and yttrium oxide powder were prepared. These powders are weighed so that the number of atoms of each metal has the composition shown in Tables 1 and 2 for the first embodiment and the composition shown in Tables 3 and 4 for the second embodiment, respectively. did.
ボールミル中で水を溶媒として、秤量したターゲット作製用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。 Wet mixing of the weighed raw material powder for target preparation was carried out in a ball mill using water as a solvent for 20 hours. The obtained mixed powder slurry was dried at 100 ° C. to obtain a mixed powder. The obtained mixed powder was press-molded by a press machine to obtain a molded product. The molding conditions were a pressure of 100 Pa, a temperature of 25 ° C., and a pressing time of 3 minutes.
その後、得られた成形体を焼成して焼成体を得た。焼成条件は、保持温度を1100℃、温度保持時間を5時間、雰囲気を空気中とした。 Then, the obtained molded product was fired to obtain a fired product. The firing conditions were a holding temperature of 1100 ° C., a temperature holding time of 5 hours, and an atmosphere of air.
得られた焼成体を、平面研削盤と円筒研磨機により直径80mm、厚さ5mmに加工して、誘電体膜を形成するためのスパッタリング用ターゲットを得た。 The obtained fired body was processed into a diameter of 80 mm and a thickness of 5 mm by a surface grinder and a cylindrical grinder to obtain a target for sputtering for forming a dielectric film.
続いて、厚みが500μmのSiウエハを、酸化性ガスの乾燥した雰囲気下で熱処理することにより、ウエハ表面に厚みが500nmのSiO2膜を形成して、基板とした。この基板の表面に、まず、下地電極としてのCr薄膜を20nmの厚さとなるようにスパッタリング法で形成した。さらに、上記で形成したCr薄膜上に、Pt薄膜を100nmの厚さとなるようにスパッタリング法で形成し、下部電極とした。 Subsequently, a Si wafer having a thickness of 500 μm was heat-treated in a dry atmosphere of an oxidizing gas to form a SiO 2 film having a thickness of 500 nm on the wafer surface to form a substrate. First, a Cr thin film as a base electrode was formed on the surface of this substrate by a sputtering method so as to have a thickness of 20 nm. Further, a Pt thin film was formed on the Cr thin film formed above by a sputtering method so as to have a thickness of 100 nm, and used as a lower electrode.
次に、下部電極上に、上記で作製したスパッタリング用ターゲットを用いて、スパッタリング法により、誘電体膜を厚さ300nmで形成した。スパッタリング条件は、雰囲気:Ar/O2=3/1、圧力:1.0Pa、高周波電力:200W、基板温度:100℃とした。誘電体膜を形成した後、当該誘電体膜に対し、大気雰囲気下900℃1分の条件900℃/minの昇温速度で、急速加熱アニール処理(Rapid Thermal Anneal:RTA)を施した。 Next, a dielectric film having a thickness of 300 nm was formed on the lower electrode by a sputtering method using the target for sputtering prepared above. The sputtering conditions were atmosphere: Ar / O 2 = 3/1, pressure: 1.0 Pa, high frequency power: 200 W, and substrate temperature: 100 ° C. After forming the dielectric film, the dielectric film was subjected to rapid thermal anneal treatment (RTA) at a heating rate of 900 ° C./min under the condition of 900 ° C. for 1 minute in an air atmosphere.
次いで、得られた誘電体膜上に、スパッタリング法にてPt薄膜を、マスクを使って、直径200μm、厚さ100nmとなるように形成し、上部電極とした。以上の工程を経て、図1に示す構成を有する薄膜キャパシタを得た。 Next, a Pt thin film was formed on the obtained dielectric film by a sputtering method so as to have a diameter of 200 μm and a thickness of 100 nm using a mask, and used as an upper electrode. Through the above steps, a thin film capacitor having the configuration shown in FIG. 1 was obtained.
誘電体膜の結晶構造を、XRD測定装置(Rigaku社、Smartlab)を用いて、X線回折法により測定、解析した。その結果、誘電体膜は、ペロブスカイト型の結晶構造を有することが確認された。 The crystal structure of the dielectric film was measured and analyzed by an X-ray diffraction method using an XRD measuring device (Rigaku, Smartlab). As a result, it was confirmed that the dielectric film has a perovskite-type crystal structure.
また、誘電体膜の組成は、XRF(X-ray Fluorescence Analysis)を使用して分析を行い、表1に記載の組成と一致していることを確認した。 Further, the composition of the dielectric film was analyzed using XRF (X-ray Fluorescence Analysis), and it was confirmed that the composition was consistent with the composition shown in Table 1.
得られたすべての薄膜キャパシタについて、下記に示す方法によりDCバイアス印加時の比誘電率を測定した。 For all the obtained thin film capacitors, the relative permittivity when DC bias was applied was measured by the method shown below.
(比誘電率)
DCバイアス印加時の比誘電率は、デジタルLCRメータ(Hewlett−Packard社,4284A)を用いて、薄膜キャパシタに厚み方向に10V/μmのDCバイアスを印加しながら、室温25℃、周波数1kHz、入力信号レベル(測定電圧)1.0Vrmsの条件で測定された静電容量、有効電極面積、電極間距離および真空の誘電率から算出した(単位なし)。誘電体膜としては、DCバイアス印加時の比誘電率は高い方が好ましく、DCバイアス印加時の比誘電率が600以上の試料を良好であると判断した。結果を表1に示す。
(Relative permittivity)
The relative permittivity when a DC bias is applied is an input at a room temperature of 25 ° C. and a frequency of 1 kHz while applying a DC bias of 10 V / μm in the thickness direction to the thin film capacitor using a digital LCR meter (Hewlet-Packard, 4284A). It was calculated from the capacitance, effective electrode area, inter-electrode distance and vacuum permittivity measured under the condition of signal level (measurement voltage) of 1.0 Vrms (no unit). As the dielectric film, it is preferable that the relative permittivity when DC bias is applied is high, and a sample having a relative permittivity of 600 or more when DC bias is applied is judged to be good. The results are shown in Table 1.
なお、参考のため、DCバイアスを印加せずに比誘電率も測定した。DCバイアスを印しない以外は同じ測定条件であった。結果を表1に示す。 For reference, the relative permittivity was also measured without applying a DC bias. The measurement conditions were the same except that the DC bias was not marked. The results are shown in Table 1.
(耐電圧特性)
薄膜キャパシタの一対の電極に対し、0Vからスタートして、1V/秒の昇圧速度で直流電圧を印加した際に、電極間に電流が10mA以上流れた時の電圧を絶縁耐圧とした。本実施例では、上記の評価を10個の試料について行い、絶縁耐圧の平均値が40kV/mm以上の試料を良好であると判断した。
(Withstand voltage characteristics)
When a DC voltage was applied to a pair of electrodes of a thin film capacitor at a step-up rate of 1 V / sec starting from 0 V, the voltage when a current of 10 mA or more flowed between the electrodes was defined as the dielectric strength. In this example, the above evaluation was performed on 10 samples, and the samples having an average value of dielectric strength of 40 kV / mm or more were judged to be good.
表1〜4より、実施例に係る薄膜キャパシタは、DCバイアス印加時の比誘電率が高く、かつ、耐電圧特性も高いことが確認できた。 From Tables 1 to 4, it was confirmed that the thin film capacitors according to the examples had a high relative permittivity when a DC bias was applied and also had a high withstand voltage characteristic.
10…基板、20…密着膜、30…下部電極、40…誘電体膜、50…上部電極、90…電子回路基板、91,100…薄膜キャパシタ。 10 ... Substrate, 20 ... Adhesive film, 30 ... Lower electrode, 40 ... Dielectric film, 50 ... Upper electrode, 90 ... Electronic circuit board, 91, 100 ... Thin film capacitor.
Claims (13)
前記酸化物は、
(1)Bi、NaおよびTi、
(2)Ba及びCaの少なくとも一方、及び、
(3)La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,YbおよびYからなる群から選択される少なくとも1つの元素Ln、を含み、
前記酸化物において、Bi、Na、Ba及びCaの原子数の合計に対するBi、Ba、及びCaの原子数の比を、それぞれ、XBi、XBa、及びXCaと表した場合に、
0.2≦XBi/(XBa+XCa)≦5を満たす、誘電体膜。 A dielectric film containing an oxide having a perovskite structure.
The oxide is
(1) Bi, Na and Ti,
(2) At least one of Ba and Ca, and
(3) Containing at least one element Ln selected from the group consisting of La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Yb and Y.
When the ratio of the atomic numbers of Bi, Ba, and Ca to the total atomic number of Bi, Na, Ba, and Ca in the oxide is expressed as X Bi , X Ba , and X Ca , respectively,
A dielectric film satisfying 0.2 ≤ X Bi / (X Ba + X Ca ) ≤ 5.
前記酸化物は、
(1)Bi、K、及び、Ti、
(2)Ba、Sr、及び、Caからなる群から選択される少なくとも一つ、及び、
(3)La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,YbおよびYからなる群から選択される少なくとも1つの元素Ln、を含み、
前記酸化物において、Bi、K、Ba、Sr、及び、Caの原子数の合計に対するBi、Ba、Sr、及び、Caの原子数の比を、それぞれ、XBi、XBa、XSr、及び、XCaと表した場合に、
0.2≦XBi/(XBa+XSr+XCa)≦5を満たす、誘電体膜。 A dielectric film containing an oxide having a perovskite structure.
The oxide is
(1) Bi, K, and Ti,
(2) At least one selected from the group consisting of Ba, Sr, and Ca, and
(3) Containing at least one element Ln selected from the group consisting of La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Yb and Y.
In the oxide, the ratios of the atomic numbers of Bi, Ba, Sr, and Ca to the total atomic numbers of Bi, K, Ba, Sr, and Ca are set to X Bi , X Ba , X Sr , and, respectively. , X Ca ,
A dielectric film satisfying 0.2 ≤ X Bi / (X Ba + X Sr + X Ca ) ≤ 5.
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