JP2018170349A - コンデンサおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】誘電体膜の絶縁破壊を抑制すること。【解決手段】基板上に設けられた下部電極１２と、前記下部電極上に設けられたペロブスカイト構造化合物を含む誘電体膜１４と、前記誘電体膜上に単一の前記下部電極に対し複数設けられ、互いに並列に接続された複数の上部電極１６と、を備え、前記誘電体膜に前記複数の上部電極間に対応し溝が設けられ、前記誘電体膜と前記複数の上部電極との界面において、前記複数の上部電極の側面と前記溝の側面とは連続するコンデンサ。【選択図】図１
Description
本発明は、コンデンサおよびその製造方法に関し、例えばペロブスカイト構造化合物を有する誘電体膜を備えるコンデンサおよびその製造方法に関する。
ペロブスカイト構造化合物を有する強誘電体を用いたコンデンサが知られている（例えば特許文献１から５）。強誘電体を用いたコンデンサは、例えば可変容量コンデンサに用いられている（例えば特許文献１から４）。誘電体膜の欠陥に起因したリーク電流の増加や短絡故障を抑制するため、欠陥を樹脂絶縁体で埋め込むことが知られている（例えば特許文献１）
コンデンサでは、高電界による誘電体膜の絶縁破壊を抑制することが求められている。特許文献１では、欠陥に起因したリーク電流の増加や短絡故障を抑制することができる。しかし、樹脂絶縁体を形成するため製造工程が複雑になる。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、誘電体膜の絶縁破壊を抑制することを目的とする。
本発明は、基板上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられたペロブスカイト構造化合物を含む誘電体膜と、前記誘電体膜上に単一の前記下部電極に対し複数設けられ、互いに並列に接続された複数の上部電極と、を備え、前記誘電体膜に前記複数の上部電極間に対応し溝が設けられ、前記誘電体膜と前記複数の上部電極との界面において、前記複数の上部電極の側面と前記溝の側面とは連続するコンデンサである。
上記構成において、前記溝は前記誘電体膜を複数に分割するように前記誘電体膜を貫通する構成とすることができる。
上記構成において、前記溝下に前記誘電体膜が残存する構成とすることができる。
上記構成において、前記複数の上部電極を共通に接続する配線を備える構成とすることができる。
上記構成において、前記誘電体膜は、ＢＳＴまたはＰＺＴである構成とすることができる。
上記構成において、前記下部電極と前記複数の上部電極との間に電圧を印加することで、容量値が変化する構成とすることができる。
本発明は、基板上に下部電極を、前記下部電極上に誘電体膜を、前記誘電体膜上に上部電極を形成する工程と、前記上部電極上に開口を有するマスクを形成する工程と、前記上部電極を複数の上部電極に分割し、前記誘電体膜に前記複数の上部電極間に対応し溝が設けられ、前記誘電体膜と前記複数の上部電極との界面において、前記複数の上部電極の側面と前記溝の側面とは連続するように、前記マスクを用い前記上部電極および前記誘電体膜をエッチングする工程と、前記複数の上部電極を互いに並列に接続する工程と、を含むコンデンサの製造方法である。
本発明によれば、誘電体膜の絶縁破壊を抑制することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
図１（ａ）は、実施例１に係るコンデンサの平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、支持基板１０上に下部電極１２が設けられている。単一の下部電極１２上に複数の誘電体膜１４が設けられている。複数の誘電体膜１４上にそれぞれ複数の上部電極１６が設けられている。支持基板１０上に下部電極１２、誘電体膜１４および上部電極１６を覆うように層間絶縁膜１８が設けられている。層間絶縁膜１８を貫通する貫通孔１９が設けられている。貫通孔１９は、下部電極１２および上部電極１６に繋がるように設けられている。貫通孔１９内および層間絶縁膜１８上に配線２０ａおよび２０ｂが設けられている。配線２０ａは複数の上部電極１６に共通に接続されている。配線２０ｂは下部電極１２に接続されている。複数の誘電体膜１４および上部電極１６間には溝２２が設けられている。配線２０ａと２０ｂとの間には複数の上部電極１６が互いに並列に接続されている。
支持基板１０は、例えばシリコン（Ｓｉ）基板等の導電性体基板、石英基板、アルミナ基板、サファイア基板またはガラス基板等の絶縁基板である。支持基板１０として導電性基板を用いる場合、導電性基板上に絶縁膜を設けることが好ましい。例えば、支持基板１０がシリコン基板の場合、シリコン基板上に熱酸化等により形成された酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）が設けられていることが好ましい。また、シリコン基板は高抵抗基板であることが好ましい。
下部電極１２および上部電極１６としては、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）もしくはルテニウム（Ｒｕ）等の貴金属、またはルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）もしくは酸化イリジウム（ＩｒＯ２）等の導電性酸化物を用いることができる。下部電極１２と支持基板１０との密着性向上のため、下部電極１２にチタン（Ｔｉ）または酸化チタン（ＴｉＯ２）等の密着層を設けてもよい。
誘電体膜１４は、ペロブスカイト構造化合物（好ましくはペロブスカイト構造酸化物）であり、例えばＢＳＴ（ＢａＳｒＴｉＯ３）またはＰＺＴ（ＰｂＺｒＴｉＯ３）である。ＢａとＳｒとの元素組成比またはＰｂとＺｒの元素組成比は任意に設定できる。ペロブスカイト構造化合物には、リーク電流および／または破壊電界強度の改善のためマンガン（Ｍｎ）またはニオブ（Ｎｂ）等の元素を微量添加してもよい。誘電体膜１４の膜厚は例えば１０ｎｍから５００ｎｍである。
層間絶縁膜１８としては、ポリイミド樹脂もしくはＢＣＢ（Benzocyclobutene）樹脂等の有機絶縁膜、酸化シリコン、窒化シリコン（ＳｉＮ）もしくは酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等の無機絶縁膜、または、これらの絶縁膜の複合膜を用いることができる。
配線２０ａおよび２０ｂとしては、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ、ＳｉまたはＣｕ等が添加されていてもよい）等の導電性材料を用いる。上部電極１６と配線２０ａおよび２０ｂとの間に、チタン、タンタル（Ｔａ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化珪化チタン（ＴｉＳｉＮ）もしくは窒化珪化タンタル（ＴａＳｉＮ）等の窒化物、ルテニウム酸ストロンチウムもしくは酸化イルジウム等の酸化膜、またはこれらの複合膜を用いることができる。配線２０ａおよび２０ｂ上に端子電極を設けてもよい。端子電極として、銅、金または半田等を用いることができる。
図２（ａ）から図２（ｃ）は、実施例１に係るコンデンサの製造方法を示す断面図である。図２（ａ）に示すように、支持基板１０上に下部電極１２、誘電体膜１４および上部電極１６を形成する。下部電極１２、誘電体膜１４および上部電極１６の形成には、スパッタリング法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法またはＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）法等を用いることができる。
図２（ｂ）に示すように、上部電極１６上にマスク３０を形成する。マスク３０は例えばフォトレジストであり、開口３２が設けられている。図２（ｃ）に示すように、マスク３０をマスクに上部電極１６および誘電体膜１４をエッチングする。エッチングには、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチング法を用いる。これにより、上部電極１６および誘電体膜１４が複数に分割される。上部電極１６および誘電体膜１４には下部電極１２に達する溝２２が形成される。
その後、下部電極１２を所望の形状に加工する。支持基板１０上に層間絶縁膜１８を形成する。層間絶縁膜１８に貫通孔１９を形成する。貫通孔１９および層間絶縁膜１８上に配線２０ａおよび２０ｂを形成する。これにより図１（ａ）および図１（ｂ）のコンデンサが作製される。
［破壊電界強度の測定］
実施例１に係るコンデンサを作製し破壊電界を測定した。比較のため比較例１から３に係るコンデンサを作製した。図３（ａ）から図３（ｃ）は、それぞれ比較例１から３に係るコンデンサの断面図である。図３（ａ）に示すように、比較例１では、単一の下部電極１２に単一の上部電極１６が設けられている。誘電体膜１４の側面は上部電極１６の側面の外側に位置している。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
実施例１に係るコンデンサを作製し破壊電界を測定した。比較のため比較例１から３に係るコンデンサを作製した。図３（ａ）から図３（ｃ）は、それぞれ比較例１から３に係るコンデンサの断面図である。図３（ａ）に示すように、比較例１では、単一の下部電極１２に単一の上部電極１６が設けられている。誘電体膜１４の側面は上部電極１６の側面の外側に位置している。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
図３（ｂ）に示すように、比較例２では、上部電極１６と誘電体膜１４の側面が連続して設けられている。その他の構成は比較例１と同じであり説明を省略する。図３（ｃ）に示すように、比較例３では、単一の下部電極１２に対し複数の上部電極１６が設けられている。誘電体膜１４は分割されていない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
以下、コンデンサの作製条件を示す。
支持基板１０：上面に熱酸化膜が形成されたシリコン基板
下部電極１２：膜厚が１０ｎｍのＴｉＯ２膜および膜厚が２５０ｎｍのＰｔ膜
誘電体膜１４：膜厚が９０ｎｍのＭｎを添加したＢＳＴ（Ｂａ０．５Ｓｒ０．５ＴｉＯ３）膜
上部電極１６：膜厚が１００ｎｍのＰｔ膜
層間絶縁膜１８：ポリイミド膜
配線２０ａおよび２０ｂ：Ａｌ層
端子電極：配線２０ａおよび２０ｂ側からＡｌ膜、Ｎｉ膜およびＡｕ膜
誘電体膜１４の成膜方法：成膜温度が７５０℃のスパッタリング法
複数の上部電極１６の合計の面積：０．６４ｍｍ２
支持基板１０：上面に熱酸化膜が形成されたシリコン基板
下部電極１２：膜厚が１０ｎｍのＴｉＯ２膜および膜厚が２５０ｎｍのＰｔ膜
誘電体膜１４：膜厚が９０ｎｍのＭｎを添加したＢＳＴ（Ｂａ０．５Ｓｒ０．５ＴｉＯ３）膜
上部電極１６：膜厚が１００ｎｍのＰｔ膜
層間絶縁膜１８：ポリイミド膜
配線２０ａおよび２０ｂ：Ａｌ層
端子電極：配線２０ａおよび２０ｂ側からＡｌ膜、Ｎｉ膜およびＡｕ膜
誘電体膜１４の成膜方法：成膜温度が７５０℃のスパッタリング法
複数の上部電極１６の合計の面積：０．６４ｍｍ２
比較例１から３および実施例１について、平均破壊電界強度を測定した。図４は、比較例１から３および実施例１に係るコンデンサの１個当たりの上部電極面積に対する平均破壊電界強度を示す図である。１個当たりの上部電極面積は、比較例１および２では上部電極１６の面積に対応し、比較例３および実施例１では複数の上部電極１６のうち１個の上部電極１６の面積を示す。１個の上部電極面積の小さいコンデンサは多くの上部電極１６を備えることになる。平均破壊電界強度は、５個のコンデンサの配線２０ａと２０ｂの間に電圧を印加し破壊される電界強度の平均とした。なお、コンデンサに加える電界を大きくしていくと、コンデンサは破壊電圧で一気に破壊される。
図４に示すように、比較例１に対し上部電極１６のみを分割した比較例３では、１個当たりの上部電極１６の面積が小さくなるに従い平均破壊電界強度が高くなる。しかし、比較例１の平均破壊電界強度は約１．７ＭＶ／ｃｍに対し、上部電極１６を１００以上に分割した比較例３でも平均破壊電界強度は約２．１ＭＶ／ｃｍであり、平均破壊電界強度はあまり高くない。
比較例１に対し上部電極１６と誘電体膜１４との側面を一致させた比較例２では平均破壊電界強度が約２．１ＭＶ／ｃｍとなり比較例３と同程度となる。比較例２に対し上部電極１６と誘電体膜１４を分割した実施例１では、１個当たりの上部電極１６の面積が小さくなるに従い平均破壊電界強度が急激に高くなる。上部電極１６を１００以上に分割した実施例１では平均破壊電界強度は約２．８ＭＶ／ｃｍとなる。
このように、実施例１では比較例１から３に比較し平均電界強度が高くなる。この理由は明確ではないが、例えば以下のように考えられる。比較例１および２のように、上部電極１６の面積が大きいと、上部電極１６と誘電体膜１４と収縮率の差により応力が残留してしまう。この応力のため破壊電界強度が低くなると考えられる。そこで、比較例３および実施例１のように、上部電極１６を複数に分割する。これにより、応力が分散し破壊電界強度が高くなる。
比較例１では図３（ａ）のように誘電体膜１４と上部電極１６の界面において側面が不連続である。このため上部電極１６の端部４０において誘電体膜１４に応力が集中する。これにより、比較例１の破壊電界強度が低くなる。比較例２では図３（ｂ）のように、誘電体膜１４と上部電極１６の界面の端部４２において側面が連続である。これにより、比較例１のように誘電体膜１４内に応力が集中し難く、破壊電界強度が高くなると考えられる。
比較例３では図３（ｃ）のように上部電極１６が分割されているため応力は分散される。しかし、上部電極１６の端部４４において誘電体膜１４に応力が集中する。このため、上部電極１６を分割しても破壊電界強度はあまり高くならないと考えられる。実施例1では図１（ｂ）のように上部電極１６が分割されているため応力は分散される。さらに、溝２２における誘電体膜１４と上部電極１６の界面の端部４６において側面が連続である。これにより、誘電体膜１４内に応力が集中し難く、破壊電界強度が高くなると考えられる。
［実施例１の変形例１］
図５は、実施例１の変形例１に係るコンデンサの断面図である。図５に示すように、溝２２は、誘電体膜１４の上部に形成されている。溝２２の面は誘電体膜１４の途中に位置している。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。実施例１の変形例１においても、誘電体膜１４内に応力が集中し難く、破壊電界強度を高くすることができる。
図５は、実施例１の変形例１に係るコンデンサの断面図である。図５に示すように、溝２２は、誘電体膜１４の上部に形成されている。溝２２の面は誘電体膜１４の途中に位置している。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。実施例１の変形例１においても、誘電体膜１４内に応力が集中し難く、破壊電界強度を高くすることができる。
実施例１およびその変形例１によれば、誘電体膜１４に複数の上部電極１６間に対応し溝２２が設けられ、誘電体膜１４と複数の上部電極１６との界面において、複数の上部電極１６の側面と溝２２の側面とは連続する。これにより、コンデンサの破壊電界強度を高くすることができる。
実施例１のように、溝２２は誘電体膜１４を複数に分割するように誘電体膜１４を貫通していてもよいし、実施例１の変形例１のように溝２２下に誘電体膜１４が残存してもよい。
複数の上部電極１６を共通に接続する配線２０ａを備える。これにより、複数の上部電極１６を互いに並列に接続することができる。
図２（ａ）のように、支持基板１０上に下部電極１２を、下部電極１２上に誘電体膜１４を、誘電体膜１４上に上部電極１６を形成する。図２（ｂ）のように、上部電極１６上に開口３２を有するマスク３０を形成する。図２（ｃ）のように、上部電極１６を複数の上部電極１６に分割し、誘電体膜１４に複数の上部電極１６の間に対応し溝２２が設けられるように、マスク３０を用い上部電極１６および誘電体膜１４をエッチングする。これにより、複数の上部電極１６の側面と溝２２の側面とを連続させることができる。
図６は、実施例２に係る可変容量コンデンサの回路図である。図６に示すように、信号端子Ｔｓ１とＴｓ２との間にキャパシタＣ１からＣ４が直列に接続されている。キャパシタＣ１からＣ４は各々実施例１およびその変形例に係るコンデンサである。
キャパシタＣ１の信号端子Ｔｓ１側のノードＮ１と固定端子Ｔｇとの間に抵抗Ｒ１が接続されている。キャパシタＣ１とＣ２との間のノードＮ２と可変端子Ｔｐとの間に抵抗Ｒ２が接続されている。キャパシタＣ２とＣ３との間のノードＮ３と固定端子Ｔｇとの間に抵抗Ｒ３が接続されている。キャパシタＣ３とＣ４との間のノードＮ４と可変端子Ｔｐとの間に抵抗Ｒ４が接続されている。キャパシタＣ４の信号端子Ｔｓ２側のノードＮ５と固定端子Ｔｇとの間に抵抗Ｒ５が接続されている。
信号端子Ｔｓ１およびＴｓ２には、例えば１３．５６ＭＨｚ等の交流信号が入出力する。可変端子Ｔｐには、直流バイアス電圧として可変電圧が印加される。固定端子Ｔｇにはグランド電圧等の固定電圧が印加される。キャパシタＣ１からＣ４の誘電体膜１４は周波数の高い信号では誘電率が変化しないが周波数の低い電圧が印加されると誘電率が変化する。これにより、可変端子Ｔｐに印加する可変電圧を変化させると、交流信号に対するキャパシタＣ１からＣ４の容量値が変化する。信号端子Ｔｓ１とＴｓ２との間の容量値は、各キャパシタＣ１からＣ４の容量値をＣ１からＣ４とすると、１／（１／Ｃ１＋１／Ｃ２＋１／Ｃ３＋１／Ｃ４）となる。キャパシタＣ１からＣ４が同じ容量値Ｃ０を有する場合、信号端子Ｔｓ１とＴｓ２との間の容量値は、１／４×Ｃ０となる。
実施例２のように、実施例１およびその変形例に係るコンデンサを下部電極１２と複数の上部電極１６との間に電圧を印加することで、容量値が変化する可変容量コンデンサに用いることができる。実施例２では、キャパシタＣ１からＣ４が４個の例を説明したが、キャパシタＣ１からＣ４の個数は任意に設定できる。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ 支持基板
１２ 下部電極
１４ 誘電体膜
１６ 上部電極
１８ 層間絶縁膜
１９ 貫通孔
２０ａ、２０ｂ 配線
２２ 溝
３０ マスク
３２ 開口
１２ 下部電極
１４ 誘電体膜
１６ 上部電極
１８ 層間絶縁膜
１９ 貫通孔
２０ａ、２０ｂ 配線
２２ 溝
３０ マスク
３２ 開口
Claims (7)
- 基板上に設けられた下部電極と、
前記下部電極上に設けられたペロブスカイト構造化合物を含む誘電体膜と、
前記誘電体膜上に単一の前記下部電極に対し複数設けられ、互いに並列に接続された複数の上部電極と、
を備え、
前記誘電体膜に前記複数の上部電極間に対応し溝が設けられ、前記誘電体膜と前記複数の上部電極との界面において、前記複数の上部電極の側面と前記溝の側面とは連続するコンデンサ。 - 前記溝は前記誘電体膜を複数に分割するように前記誘電体膜を貫通する請求項１に記載のコンデンサ。
- 前記溝下に前記誘電体膜が残存する請求項１に記載のコンデンサ。
- 前記複数の上部電極を共通に接続する配線を備える請求項１から３のいずれか一項に記載のコンデンサ。
- 前記誘電体膜は、ＢＳＴまたはＰＺＴである請求項１から４のいずれか一項に記載のコンデンサ。
- 前記下部電極と前記複数の上部電極との間に電圧を印加することで、容量値が変化する請求項１から５のいずれか一項に記載のコンデンサ。
- 基板上に下部電極を、前記下部電極上に誘電体膜を、前記誘電体膜上に上部電極を形成する工程と、
前記上部電極上に開口を有するマスクを形成する工程と、
前記上部電極を複数の上部電極に分割し、前記誘電体膜に前記複数の上部電極間に対応し溝が設けられ、前記誘電体膜と前記複数の上部電極との界面において、前記複数の上部電極の側面と前記溝の側面とは連続するように、前記マスクを用い前記上部電極および前記誘電体膜をエッチングする工程と、
前記複数の上部電極を互いに並列に接続する工程と、
を含むコンデンサの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017065285A JP2018170349A (ja) | 2017-03-29 | 2017-03-29 | コンデンサおよびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2017065285A JP2018170349A (ja) | 2017-03-29 | 2017-03-29 | コンデンサおよびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2018170349A true JP2018170349A (ja) | 2018-11-01 |
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ID=64018886
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| Country | Link |
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| JP (1) | JP2018170349A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2022552911A (ja) * | 2019-10-11 | 2022-12-20 | １０６４４１３７ カナダ インコーポレイテッド | パワーエレクトロニックシステム用のメタキャパシタ及びパワーエレクトロニック変換器 |
-
2017
- 2017-03-29 JP JP2017065285A patent/JP2018170349A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2022552911A (ja) * | 2019-10-11 | 2022-12-20 | １０６４４１３７ カナダ インコーポレイテッド | パワーエレクトロニックシステム用のメタキャパシタ及びパワーエレクトロニック変換器 |
| JP2024009879A (ja) * | 2019-10-11 | 2024-01-23 | １０６４４１３７ カナダ インコーポレイテッド | パワーエレクトロニックシステム用のメタキャパシタ及びパワーエレクトロニック変換器 |
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