特許 7351304 誘電体薄膜、容量素子および電子回路基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-09-19

(45)【発行日】2023-09-27

(54)【発明の名称】誘電体薄膜、容量素子および電子回路基板

(51)【国際特許分類】

   H01G 4/33 20060101AFI20230920BHJP

   H01G 4/30 20060101ALI20230920BHJP

【ＦＩ】

H01G4/33 102

H01G4/30 544

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020539510

(86)(22)【出願日】2019-08-27

(86)【国際出願番号】 JP2019033545

(87)【国際公開番号】W WO2020045447

(87)【国際公開日】2020-03-05

【審査請求日】2022-03-22

(31)【優先権主張番号】P 2018163799

(32)【優先日】2018-08-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000003067

【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001494

【氏名又は名称】前田・鈴木国際特許弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】山▲崎▼ 久美子

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 和希子

(72)【発明者】

【氏名】山▲崎▼ 純一

【審査官】田中 晃洋

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／１３５２９８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１７／１３５２９４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１７／１３５２９６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｇ ４／３３

Ｈ０１Ｇ ４／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ａ－Ｂ－Ｏ－Ｎ型酸窒化物を有する誘電体薄膜であって、
前記Ａ－Ｂ－Ｏ－Ｎ型酸窒化物を組成式Ａ_aＢ_bＯ_oＮ_nで表す場合に、
（ｏ＋ｎ）／ａ＜３．００
を満たし、
前記Ａ－Ｂ－Ｏ－Ｎ型酸窒化物の結晶構造が非ペロブスカイト構造であることを特徴とする誘電体薄膜。

【請求項2】

（ｏ＋ｎ）／ａ＜２．９５を満たす請求項１に記載の誘電体薄膜。

【請求項3】

ｎ／ａ≦０．０５０を満たす請求項１または２に記載の誘電体薄膜。

【請求項4】

ＡはＳｒ、Ｂａ、Ｃａ、Ｌａ、Ｎｄ、ＮａおよびＫから選択される１種以上の元素であり、ＢはＴａ、Ｎｂ、ＴｉおよびＷから選択される１種以上の元素である請求項１～３のいずれかに記載の誘電体薄膜。

【請求項5】

請求項１～４のいずれかに記載の誘電体薄膜を有する容量素子。

【請求項6】

請求項１～４のいずれかに記載の誘電体薄膜を有する薄膜キャパシタを有する電子回路基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、誘電体薄膜、容量素子および電子回路基板に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、デジタル機器の高性能化に伴い、高性能な誘電体組成物が求められている。そして、ペロブスカイト型酸化物に対して欠陥を導入した誘電体組成物が研究されている。

【0003】

例えば、特許文献１では、チタン酸バリウム粉末に対して添加物を加えることでチタン酸バリウムの結晶格子に欠陥を導入し、比誘電率を向上させた誘電体組成物について記載されている。

【0004】

しかし、現在ではさらに多様な組成の誘電体組成物が求められており、添加物の有無に関わらず比誘電率を向上させた誘電体組成物が求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００７－１２６６６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、特に低周波数での比誘電率が大きく、誘電損失が小さい誘電体薄膜、容量素子および電子回路基板を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る誘電体薄膜は、Ａ－Ｂ－Ｏ－Ｎ型酸窒化物を有する誘電体薄膜であって、
前記Ａ－Ｂ－Ｏ－Ｎ型酸窒化物を組成式Ａ_ａＢ_ｂＯ_ｏＮ_ｎで表す場合に、
（ｏ＋ｎ）／ａ＜３．００
を満たすことを特徴とする。

【0008】

本発明に係る誘電体薄膜は、上記の特徴を有することで、特に周波数１ｋＨｚ程度の低周波数での比誘電率を大きくし、誘電損失を小さくすることができる。

【0009】

本発明に係る誘電体薄膜は、（ｏ＋ｎ）／ａ＜２．９５を満たしてもよい。

【0010】

本発明に係る誘電体薄膜は、ｎ／ａ＜０．０５０を満たしてもよい。

【0011】

本発明に係る誘電体薄膜は、ＡはＳｒ、Ｂａ、Ｃａ、Ｌａ、Ｎｄ、ＮａおよびＫから選択される１種以上の元素であってもよく、ＢはＴａ、Ｎｂ、ＴｉおよびＷから選択される１種以上の元素であってもよい。

【0012】

本発明に係る誘電体薄膜は、前記Ａ－Ｂ－Ｏ－Ｎ型酸窒化物の結晶構造が非ペロブスカイト構造であってもよい。

【0013】

本発明に係る容量素子は、上記の誘電体薄膜を有する。

【0014】

本発明に係る電子回路基板は上記の誘電体薄膜を有する薄膜キャパシタを有する。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一実施形態に係る薄膜キャパシタの概略図である。

【図2】実施例１～３および比較例１のＸＲＤ測定結果を示すグラフである。

【図3】成膜時の酸素分圧とｔａｎδとの関係を示すグラフである。

【図4】本発明の一実施形態に係る電子回路基板の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明を実施形態に基づき説明する。

【0017】

本実施形態に係る誘電体薄膜を有する薄膜キャパシタの模式図を図１に示す。図１に示す薄膜キャパシタ１は、基板１１上に第１電極１２、誘電体薄膜１３の順に形成され、誘電体薄膜１３の表面に第２電極１４を備える。

【0018】

基板１１の材質には特に制限はないが、基板１１としてＳｉ単結晶基板を用いることが入手容易性およびコスト性に優れている。フレキシビリティを重視する場合にはＮｉ箔を基板として使用することも出来る。

【0019】

第１電極１２および第２電極１４の材質に特に制限はなく、電極として機能すればよい。例えば、Ｐｔ，Ａｇ，Ｎｉ等が挙げられる。第１電極１２の厚みは０．０１～１０μｍが好ましい。第２電極１４の厚みは０．０１～１０μｍが好ましい。

【0020】

誘電体薄膜１３は、Ａ－Ｂ－Ｏ－Ｎ型酸窒化物を有する多結晶誘電体薄膜である。Ａ－Ｂ－Ｏ－Ｎ型酸窒化物を有することにより、誘電体薄膜の周波数１ｋＨｚ程度での比誘電率を大きくし、誘電損失（ｔａｎδ）を小さくすることができる。また、誘電体薄膜１３は多結晶誘電体薄膜であることが好ましく、エピタキシャル膜とは異なる種類の薄膜であることが好ましい。誘電体薄膜１３が多結晶誘電体薄膜であり、エピタキシャル膜とは異なる種類の薄膜であることは、例えばＸＲＤパターンにより確認することができる。

【0021】

Ａの種類およびＢの種類は任意であるが、ペロブスカイト構造であるＡ－Ｂ－Ｏ型酸化物、すなわち、結晶構造がＡＢＯ_３型構造である酸化物を形成可能な種類とする。また、ＡはＳｒ、Ｂａ、Ｃａ、Ｌａ、Ｎｄ、ＮａおよびＫから選択される１種以上の元素であることが好ましく、ＢはＴａ、Ｎｂ、ＴｉおよびＷから選択される１種以上の元素であることが好ましい。また、ＡはＳｒであることが最も好ましく、ＢはＴａであることが最も好ましい。

【0022】

Ａ－Ｂ－Ｏ－Ｎ型酸窒化物の組成は原子数比で組成式Ａ_ａＢ_ｂＯ_ｏＮ_ｎと表すことができる。また、Ａ－Ｂ－Ｏ－Ｎ型酸窒化物に含まれる全ての元素の含有量の合計を１００ｍｏｌ％として、Ｎの含有量が０．０００１ｍｏｌ％以上である場合に誘電体薄膜１３にＡ－Ｂ－Ｏ－Ｎ型酸窒化物が含まれているとする。また、Ａ，Ｂ，Ｏの各元素の含有量も同様に０．０００１ｍｏｌ％以上である。

【0023】

本実施形態にかかる誘電体薄膜１３の組成を組成式Ａ_ａＢ_ｂＯ_ｏＮ_ｎで表す場合に、（ｏ＋ｎ）／ａ＜３．００を満たす。（ｏ＋ｎ）／ａ＜３．００を満たすことにより、周波数１ｋＨｚ程度での比誘電率を向上させることができる。

【0024】

また、ａ／ｂについては任意であり、必ずしもａ／ｂ＝１．０である必要は無い。具体的には、０．７≦ａ／ｂ≦１．３であってもよい。

【0025】

また、（ｏ＋ｎ）／ａ＜２．９５を満たすことがさらに好ましく、（ｏ＋ｎ）／ａ＜２．８５を満たすことがさらに好ましい。なお、（ｏ＋ｎ）／ａの下限には特に制限はない。例えば（ｏ＋ｎ）／ａ≧２．００である。

【0026】

また、ｎ／ａ≦０．０５０を満たしてもよい。

【0027】

誘電体薄膜１３に含まれるＡ－Ｂ－Ｏ－Ｎ型酸窒化物の組成を測定する方法は任意である。例えばＸ線光電子分光法やインパルス加熱溶融抽出法（赤外線吸収法）などの方法によって測定することができる。

【0028】

誘電体薄膜１３の表面部におけるＡ－Ｂ－Ｏ－Ｎ型酸窒化物の組成については、誘電体薄膜１３の内部におけるＡ－Ｂ－Ｏ－Ｎ型酸窒化物の組成とは異なっていてもよい。誘電体薄膜１３の表面部とは、誘電体薄膜１３の表面からの深さが１０ｎｍ以下である部分を指す。誘電体薄膜１３の内部とは、誘電体薄膜１３の表面からの深さが３０ｎｍ以上である部分を指す。本実施形態では、誘電体薄膜の表面部におけるＡ－Ｂ－Ｏ－Ｎ型酸窒化物の組成式を原子数比でＡ_ａ１Ｂ_ｂ１Ｏ_ｏ１Ｎ_ｎ１とする。

【0029】

（ｏ１＋ｎ１）／ａ１＜３．００を満たしていてもよい。（ｏ１＋ｎ１）／ａ１＜３．００を満たすことにより、周波数１ｋＨｚ程度での比誘電率を向上させることができる。

【0030】

また、ａ１／ｂ１については任意であり、必ずしもａ１／ｂ１＝１．０である必要は無い。具体的には、０．７≦ａ１／ｂ１≦１．３であってもよい。

【0031】

また、（ｏ１＋ｎ１）／ａ１＜２．９５を満たすことがさらに好ましい。なお、（ｏ１＋ｎ１）／ａ１の下限には特に制限はない。例えば（ｏ１＋ｎ１）／ａ１≧２．００である。

【0032】

また、ｎ１／ａ１≦０．５００を満たしてもよい。

【0033】

誘電体薄膜の表面部におけるＡ－Ｂ－Ｏ－Ｎ型酸窒化物の組成を測定する方法は任意である。例えばＸ線光電子分光法やインパルス加熱溶融抽出法（赤外線吸収法）などの方法によって測定することができる。

【0034】

誘電体薄膜１３の厚さは任意であるが、好ましくは１０ｎｍ～１μｍである。

【0035】

誘電体薄膜１３の表面および／または内部に含まれるＡ－Ｂ－Ｏ－Ｎ型酸窒化物の結晶構造は任意であるが、非ペロブスカイト構造であることが好ましい。非ペロブスカイト構造であることにより、周波数１ｋＨｚ程度での比誘電率をさらに向上させることができる。ここで、非ペロブスカイト構造とは、ペロブスカイト構造以外の構造を指す。Ａ－Ｂ－Ｏ－Ｎ型酸窒化物においては、ＡＢＯ_２Ｎ型構造ではない結晶構造を指す。

【0036】

誘電体薄膜１３の表面および／または内部に含まれるＡ－Ｂ－Ｏ－Ｎ型酸窒化物がペロブスカイト構造であるか非ペロブスカイト構造であるかを確認する方法は任意である。例えば、ＸＲＤパターンを測定することでＡ－Ｂ－Ｏ－Ｎ型酸窒化物がペロブスカイト構造であるか非ペロブスカイト構造であるかを確認できる。

【0037】

図４に示すように、本実施形態に係る電子回路基板１００は、エポキシ系樹脂基板１０と、エポキシ系樹脂基板１０上に形成された樹脂層２０と、樹脂層２０上に設置された薄膜キャパシタ１と、薄膜キャパシタ１が設置された樹脂層２０上に形成された絶縁性被覆層３０と、絶縁性被覆層３０上に設置された電子部品４０と、薄膜キャパシタ１または電子部品４０に接続され、エポキシ系樹脂基板１０の表面または絶縁性被覆層３０の表面に引き出された金属配線５０と、を備える。薄膜キャパシタ１は、基板１１を除去された状態であってもよく、基板１１を除去されていない状態であってもよい。金属配線５０の一部は、エポキシ系樹脂基板１０の表面と、絶縁性被覆層３０の表面と、の間を導通させるために、電子回路基板１００を貫通している。金属配線５０の種類には特に制限はない。例えばＣｕ等が挙げられる。図４に示す実施形態では、薄膜キャパシタ１が電子回路基板１００内に埋め込まれている。

【0038】

薄膜キャパシタ１の製造方法
次に、容量素子の一種である薄膜キャパシタ１の製造方法について説明する。以下、ＡをＳｒ、ＢをＴａとする場合について説明するが、他の元素を用いる場合でも同様である。

【0039】

最終的に誘電体薄膜１３となる薄膜の成膜方法に特に制限はない。例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、ＰＬＤ法（パルスレーザー蒸着法）、ＭＯ－ＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＭＯＤ（有機金属分解法）、ゾル・ゲル法、ＣＳＤ（化学溶液堆積法）などが例示される。また、成膜時に使用する原料には微少な不純物や副成分が含まれている場合があるが、薄膜の性能を大きく損なわない程度の量であれば特に問題はない。また、本実施形態に係る誘電体薄膜１３も、性能を大きく損なわない程度に微少な不純物や副成分を含んでいてもよい。

【0040】

上記の成膜方法のうち、ＰＬＤ法、スパッタリング法およびＣＳＤ法などの方法で成膜すると、最終的に得られる薄膜が多結晶膜となりやすい。本実施形態ではＰＬＤ法による成膜方法について説明する。

【0041】

まず、基板１１としてＳｉ単結晶基板を準備する。次に、Ｓｉ単結晶基板上にＳｉＯ_２、ＴｉＯ_ｘ、Ｐｔの順に成膜し、Ｐｔからなる第１電極１２を形成する。第１電極１２を形成する方法には特に制限はない。例えば、スパッタリング法やＣＶＤなどが挙げられる。

【0042】

次に、第１電極１２上にＰＬＤ法で金属酸化物薄膜を成膜する。また、用途に応じて第１電極１２の一部を露出させるためにメタルマスクを使用して薄膜が一部成膜されない領域を形成してもよい。

【0043】

ＰＬＤ法では、まず、目的とする多結晶誘電体薄膜の構成元素（Ｓｒおよび／またはＴａ）を含むターゲットを成膜室内に設置する。次に、ターゲットの表面上にパルスレーザーを照射する。パルスレーザーの強いエネルギーによりターゲットの表面を瞬時に蒸発させる。そして、ターゲットと対向するように配置した基板上に蒸発物を堆積させて金属酸化物薄膜を成膜する。なお、金属酸化物薄膜の組成式はＳｒＴａＯ_ｘである。

【0044】

ターゲットの種類に特に制限はなく、作製する多結晶誘電体薄膜の構成元素（Ｓｒおよび／またはＴａ）を含む金属酸化物焼結体、構成元素の単体金属または構成元素の合金などを用いることができる。また、ターゲットにおいては各元素が平均的に分布していることが好ましいが、得られる多結晶誘電体薄膜の品質に影響がない範囲で分布にばらつきがあってもよい。さらに、ターゲットは必ずしも一つである必要はなく、多結晶誘電体薄膜の構成元素の一部を含むターゲットを複数用意して成膜に用いることも可能である。ターゲットの形状にも制限はなく、使用する成膜装置に適した形状とすればよい。また、成膜条件、例えば酸素のガス圧等を調整することで、得られる金属酸化物薄膜のｘを制御することができる。例えば、酸素のガス圧を制御し、成膜時の雰囲気における酸素分圧（成膜酸素分圧）を小さくするほどｘが小さくなり、結晶格子に欠陥（何も入っていないサイト）が多くなる。逆に、成膜時の雰囲気における酸素分圧（成膜酸素分圧）を大きくするほどｘが大きくなり、結晶格子に欠陥が少なくなる。

【0045】

本実施形態では、例えば、ターゲットとしてＳｒ_２Ｔａ_２Ｏ_７を含む焼結体を用いてもよい。そして、成膜条件、例えば酸素のガス圧等を調整することで、最終的に得られる上記のｘを制御することができる。なお、本実施形態では、当該金属酸化物薄膜の金属酸化物はＳｒＴａＯ_ｘ、３．２≦ｘ≦３．８であることが好ましい。

【0046】

また、ＰＬＤ法の際には、成膜する金属酸化物薄膜を結晶化させるために成膜時に基板１１を赤外線レーザーで加熱することが好ましい。基板１１の加熱温度は金属酸化物薄膜および基板１１の構成元素および組成等により変化するが、例えば、６００～８００℃となるように加熱して成膜を行う。基板１１の温度を適温とすることで、金属酸化物薄膜が結晶化しやすくなるとともに冷却時に生じる割れの発生を防止することができる。

【0047】

成膜中に、窒素ラジカルを金属酸化物薄膜に照射して窒化処理を行うことで、金属酸化物薄膜中、少なくとも金属酸化物薄膜の表面に窒素を導入し、本実施形態の誘電体薄膜１３を得ることができる。成膜中に窒素ラジカルを導入して窒化処理を行ってもよいが、窒素の導入量が過剰にならないように制御するためには、成膜後の金属酸化物薄膜に窒素ラジカルを照射して窒化処理を行う方が容易であり好ましい。なお、成膜後の金属酸化物薄膜に窒素ラジカルを照射して窒化処理を行う場合には、誘電体薄膜１３の内部における窒素の含有量が誘電体薄膜１３の表面における窒素の含有量よりも少なくなることが通常である。また、窒素ラジカルを金属酸化物薄膜に照射する時間が短いほど、誘電体薄膜１３の比誘電率が向上しやすい。窒素ラジカルを金属酸化物薄膜に照射する時間が長いほど、誘電体薄膜１３が窒素ラジカルによるダメージを受けるためであると考えられる。

【0048】

上記の方法で誘電体薄膜１３を得る場合には、誘電体薄膜１３の内部は実質的に均一である。したがって、Ｘ線光電子分光法やインパルス加熱溶融抽出法（赤外線吸収法）などの方法で誘電体薄膜１３の内部の組成を測定する場合には、測定点を１か所設定して組成を測定し、得られた組成を誘電体薄膜１３の内部の組成としてもよい。また、誘電体薄膜１３の表面の組成については、好ましくは３点以上の測定点で組成を測定し、平均する。

【0049】

最後に、誘電体薄膜１３上に第２電極１４を形成することで、薄膜キャパシタ１を製造することができる。なお、第２電極１４の材質に特に制限はなく、Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ等を用いることができる。また、第２電極１４の形成方法にも特に制限はない。例えば、スパッタリング法により形成することができる。

【0050】

本実施形態の誘電体薄膜１３において、特に周波数１ｋＨｚ程度の比誘電率が向上する理由は以下に示す通りであると考える。

【0051】

代表的なＡ－Ｂ－Ｏ－Ｎ型酸窒化物であるＳｒＴａＯ_ｘＮ_ｙはＮの含有量（ｙ）が増えるに従って結晶格子が大きくなる傾向が本発明者らの研究により得られている。これは、Ｎ原子とＯ原子とを比較した場合に、Ｎ原子がＯ原子よりも大きいことに起因していると考えられる。

【0052】

一方、代表的なＡ－Ｂ－Ｏ型酸化物であるＳｒＴａＯ_ｘはＯの含有量（ｘ）が減るに従って結晶格子が小さくなる傾向が本発明者らの研究において得られている。これは、Ｏ原子と欠陥とを比較した場合に、Ｏ原子が欠陥よりも大きいことに起因していると考えられる。

【0053】

ここで、ＳｒＴａＯ_ｘからなる金属酸化物薄膜にＮを導入する場合において、ｘが小さく欠陥が多く結晶格子が小さいほど、Ｎを導入した後の結晶格子の歪みが大きくなると考えられる。これは、欠陥またはＯ原子に対してＮ原子が大きいため、Ｎを導入する前の結晶格子が小さいほどＮを導入した後の結晶格子の歪みが大きくなるためである。

【0054】

一方、ｘが大きく、欠陥が少なく、結晶格子が大きい場合には、Ｎを導入した後の結晶格子の歪みが小さくなると考えられる。また、ｘが大きい場合やＮの導入量が過剰な場合では、ＯとＮとの合計含有量が増加し、欠陥が減少し、結晶格子の歪みが小さくなると考えられる。

【0055】

ここで、多結晶誘電体薄膜の比誘電率は、主にイオン分極および空間電荷分極に由来する。また、Ｎ原子および欠陥による分極は空間電荷分極に分類される分極である。ここで、イオン分極と空間電荷分極とを比較すると、１ＭＨｚ程度の高周波数ではイオン分極の影響が大きい。これに対し、１ｋＨｚ程度の低周波数では空間電荷分極の影響が大きい。したがって、本実施形態に係る誘電体薄膜１３は特に１ｋＨｚ程度の低周波数での比誘電率が大きくなり誘電損失（ｔａｎδ）が小さくなる。

【0056】

電子回路基板１００は例えば以下の方法により製造されるが、電子回路基板１００の製造方法は下記の方法に限定されない。まず、樹脂層２０の前駆体である未硬化樹脂層をエポキシ系樹脂基板１０に形成する。そして、薄膜キャパシタ１の第１電極１１と未硬化樹脂層とが面するように、薄膜キャパシタ１を未硬化樹脂層上に搭載する。なお、薄膜キャパシタ１は、基板１１を除去された状態であってもよく、基板１１を除去されていない状態であってもよい。次に、薄膜キャパシタ１が搭載された未硬化樹脂層上に絶縁性被覆層３０を形成し、薄膜キャパシタ１をエポキシ系樹脂基板１０と絶縁性被覆層３０との間に挟み込む。次に、未硬化樹脂層を熱硬化させて樹脂層２０を形成すると共に、エポキシ系樹脂基板１０と絶縁性被覆層３０とを圧着させる。圧着の方法には特に制限はない。例えば熱プレスによる方法が挙げられる。次に、スルーホールを形成し、スルーホール内に金属配線５０を形成した後に、絶縁性被覆層３０上に電子部品４０を搭載する。これにより、薄膜コンデンサ１が内部に埋め込まれた電子回路基板１００が得られる。なお、未硬化樹脂層は、室温では未硬化の状態であり、加熱により熱硬化する性質を有するＢステージのエポキシ樹脂等から形成すればよい。また、絶縁性被覆層３０は、エポキシ系樹脂、テフロン（登録商標）系樹脂またはポリイミド系樹脂等の樹脂から形成すればよい。

【0057】

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々異なる態様で実施し得ることは勿論である。例えば、電子回路基板１００における薄膜コンデンサ１は、表面実装により実装されていてもよい。

【0058】

なお、本発明に係る容量素子とは、誘電性を利用した素子のことであり、コンデンサ、サーミスタ、フィルター、ダイプレクサ、共振器、発信子、アンテナ、圧電素子、トランジスタ、強誘電体メモリ等を含む。本実施形態に係る多結晶誘電体薄膜は、特に周波数１ｋＨｚ程度での比誘電率が高く誘電損失が小さいことが求められる容量素子に好適に用いられる。

【実施例】

【0059】

以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。

【0060】

（実施例１～４、比較例１～５）
まず、成膜用ターゲットとして用いるＳｒ_２Ｔａ_２Ｏ_７焼結体の原料として、ＳｒＣＯ_３粉末およびＴａ_２Ｏ_５粉末を準備した。Ｓｒ／Ｔａのモル比が１となるようにＳｒＣＯ_３粉末およびＴａ_２Ｏ_５粉末を秤量した。

【0061】

次に、ＳｒＣＯ_３粉末およびＴａ_２Ｏ_５粉末に対して、エタノール溶媒を用いた湿式ボールミルにて１６時間混合して混合スラリーを得た。

【0062】

次に、前記混合スラリーを恒温乾燥機にて８０℃で１２時間乾燥し、混合物を得た。

【0063】

次に、前記混合物を乳鉢にて軽く解砕し、セラミック製のるつぼに入れた。そして、電気炉を用いて大気雰囲気中、１０００℃で２時間熱処理し、仮焼物を得た。

【0064】

次に、前記仮焼物に対して、再びエタノール溶媒を用いた湿式ボールミルにて１６時間混合して仮焼後スラリーを得た。

【0065】

得られた仮焼後スラリーを恒温乾燥機にて８０℃で１２時間乾燥し、仮焼後混合物を得た。

【0066】

前記仮焼後混合物に対し、バインダーとしてポリビニルアルコール溶液を添加し、混合して造粒物を得た。ポリビニルアルコール溶液の添加量は、粉砕物１００重量％に対して０．６重量％とした。

【0067】

前記造粒物を直径約２３ｍｍ、高さ約９ｍｍの円柱形状に成形して成型物を得た。成形方法はＣＩＰ成形とした。

【0068】

前記成型物に対し、電気炉を用いて大気雰囲気中、１４００℃で２時間焼成して焼結物を得た。さらに、前記焼結物の上面および下面を鏡面研磨して高さ５ｍｍの成膜ターゲットを得た。なお、得られた成膜ターゲットの相対密度が９６～９８％であることを確認した。

【0069】

上記のようにして得られた成膜用ターゲットを成膜装置に設置し、成膜用ターゲットと対向するように、Ｓｉ基板を設置した。当該Ｓｉ基板としては表面に第１電極としてＰｔ膜を有するものを用いた。

【0070】

次に、ＰＬＤ法で厚さ４００ｎｍとなるように金属酸化物薄膜を成膜した。成膜時の雰囲気中の酸素分圧（成膜酸素分圧）を各実施例および比較例ごとに変化させた。具体的には、成膜酸素分圧を表１に示す大きさとした。また、成膜時の温度は７００℃とし、金属酸化物薄膜を成膜する段階では雰囲気中に窒素を導入しなかった。

【0071】

なお、実施例４では、雰囲気中に意図的に酸素を導入しなかった。ただし、真空装置の性能上、最大０．００１Ｐａ程度の酸素が雰囲気中に存在すると推定される。

【0072】

次に、実施例１～３および比較例１では、窒素ラジカルを金属酸化物薄膜の表面に１０分間照射してラジカル窒化処理を行い、Ａ－Ｂ－Ｏ－Ｎ型酸窒化物を有する誘電体薄膜を得た。

【0073】

得られた実施例１～３および比較例１の誘電体薄膜について、ＵＬＶＡＣ―ＰＨＩ, Ｉｎｃ．製ＰＨＩ Ｑｕａｎｔｅｒａ II^ＴＭを用いたＸ線光電子分光法によって、当該誘電体薄膜の表面におけるＳｒ、ＮおよびＯの含有率と、当該誘電体薄膜の内部におけるＳｒ、ＮおよびＯの含有率と、を定量した。また、ＳｒイオンおよびＴａイオンの価数をＸＰＳのケミカルシフトから判定し、原料から価数の変化がないことを確認した。具体的には、Ｓｒイオンの価数は２で、Ｔａイオンの価数は５であった。また、誘電体薄膜の内部における（ｏ＋ｎ）／ａ、ｏ／ａおよびｎ／ａの値はＸ線光電子分光法で定量した値から算出した。さらに、結果を表２に示す。なお、実施例３および比較例１は誘電体薄膜の少なくとも表面部には相当量のＮが存在していることから、誘電体薄膜の表面部から内部へのＮの拡散により、誘電体薄膜の内部におけるＮの含有量が０．０００１ｍｏｌ％以上になっていると推定できる。

【0074】

さらに、誘電体薄膜の表面における（ｏ１＋ｎ１）／ａ１、ｏ１／ａ１およびｎ１／ａ１の値はＸ線光電子分光法で定量した値から算出した。

【0075】

また、実験例１～３および比較例１の誘電体薄膜のＸＲＤパターンから、実施例１～３および比較例１の誘電体薄膜は全て多結晶膜であることを確認した。すなわち、薄膜が結晶化し、多結晶薄膜となっていることを確認した。

【0076】

また、実施例１～４および比較例１～５の誘電体薄膜のＸＲＤパターンから、各誘電体薄膜の結晶構造がペロブスカイト構造であるか、非ペロブスカイト構造であるかを特定した。結果を表１に示す。

【0077】

続いて、実施例１～４および比較例１～５の各誘電体薄膜に対して蒸着を用いてＡｇ電極を形成し、比誘電率および誘電損失（ｔａｎδ）を測定した。比誘電率およびｔａｎδの測定はインピーダンスアナライザー（アジレントテクノロジー社製）４２９４Ａにて、測定電圧：１００ｍＶ、測定周波数：１ｋＨｚで行った。比誘電率が８００以上である場合を良好とし、ｔａｎδが１未満（１００％未満）である場合を良好とし、０．１以下（１０％以下）である場合をさらに良好とした。結果を表１に示す。

【0078】

【表1】

【0079】

【表2】

【0080】

表１および表２より、実施例１～３および比較例１では、少なくとも誘電体薄膜の表面においてＡ－Ｂ－Ｏ－Ｎ型酸窒化物が生成していた。そして、誘電体薄膜の内部における（ｏ＋ｎ）／ａが３．００より小さかった実施例１～３は比誘電率およびｔａｎδが良好な結果となった。これに対し、（ｏ＋ｎ）／ａが３．００以上であった比較例１は比誘電率が低下した。

【0081】

ラジカル窒化処理を行わなかった比較例２～５はＳｒＴａＯ_ｘを有する金属酸化物薄膜となり、Ｎの含有量が０．０００１ｍｏｌ％未満であり、比誘電率またはｔａｎδが実施例１～４より劣る結果となった。

【0082】

また、実施例１～４および比較例１の各誘電体薄膜について周波数１ＭＨｚで比誘電率を測定した。実施例１～４の各誘電体薄膜の比誘電率は周波数が１ＭＨｚに上昇することで大きく減衰した。一方、比較例１の誘電体薄膜の比誘電率は周波数を１ＭＨｚに上昇させても大きく減衰しなかった。その結果、周波数１ＭＨｚでは比較例１の誘電体薄膜の比誘電率が実施例１～４の各誘電体薄膜の比誘電率よりも大きくなった。

【0083】

また、実施例１～３および比較例１のＸＲＤプロファイルを図２に示す。なお、図２のαは実施例１～３のみに概ね共通するピーク位置を示し、図２のβは実施例１～３と比較例１とで概ね共通するピーク位置を示す。なお、βのうち２θ＝６５ｄｅｇ近傍にあるピークはＡｇ第２電極のピークである。

【0084】

酸素分圧１０Ｐａで成膜した比較例１はペロブスカイト構造を有するＳｒＴａＯ_２Ｎのピークに酷似したピーク２１を有するパターンを示した。これに対し、酸素分圧０．０１～１Ｐａで成膜した実施例１～３はペロブスカイト構造を有するＳｒＴａＯ_２Ｎのピークとは異なるピークを有するパターンを示した。

【0085】

また、実施例１～３のみに共通するピークに関しては、成膜時の酸素分圧が小さいほど高角度側にシフトしていた。すなわち、成膜時の酸素分圧が小さい誘電体薄膜ほど含まれる結晶格子が小さくなった。成膜時の酸素分圧が小さい誘電体薄膜ほど含まれる結晶格子が小さくなるのは、成膜時にＯが不足することで生じるＯ欠陥が多くなるためであると考えられる。そして、成膜時の酸素分圧が低いほど小さい結晶格子にラジカル化した窒素を強制的に導入することになるため、得られる誘電体薄膜における結晶歪が大きくなり、比誘電率が大きくなると考えられる。

【0086】

また、表１の実施例１～３および比較例１（誘電体薄膜が酸窒化物（ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）からなる場合）と、比較例２、４、５（誘電体薄膜が酸化物（ｏｘｉｄｅ）からなる場合）と、について、横軸に酸素分圧（Ｐ_Ｏ２）、縦軸にｔａｎδを記載したグラフを作成した。結果を図３に示す。

【0087】

図３より、誘電体薄膜が酸化物からなる場合には成膜時の酸素分圧が低いほど誘電体薄膜のｔａｎδが悪化する。これは、成膜時の酸素分圧が低いほど雰囲気中のＯが少なくなり誘電体薄膜にＯ欠陥が生じやすくなるためである。一方、誘電体薄膜が酸窒化物からなる場合には、同じ酸素分圧で成膜した酸化物からなる誘電体薄膜と比較して、特に酸素分圧が１Ｐａ以下である場合にｔａｎδが著しく改善することがわかる。

【0088】

（実施例５～７）
実施例５～７は、実施例２からラジカル窒化照射時間を長くした点以外は実施例２と同条件で実施した。結果を表３に示す。

【0089】

【表3】

【0090】

表３より、ラジカル窒化照射時間が長いほど比誘電率が低下した。ラジカル窒化照射時間が長いほど、得られる誘電体薄膜が窒素ラジカルによるダメージを受けるためであると考えられる。

【0091】

また、実施例５～７および比較例１の各誘電体薄膜について周波数１ＭＨｚで比誘電率を測定した。実施例５～７の各誘電体薄膜の比誘電率は周波数が１ＭＨｚに上昇することで大きく減衰した。一方、比較例１の誘電体薄膜の比誘電率は周波数を１ＭＨｚに上昇させても大きく減衰しなかった。その結果、周波数１ＭＨｚでは比較例１の誘電体薄膜の比誘電率が実施例５～７の各誘電体薄膜の比誘電率よりも大きくなった。

【0092】

（実施例８～９、比較例６～９）
実施例８、比較例６、比較例７は、成膜用ターゲットとして用いる焼結体をＬａ_２Ｔｉ_２Ｏ_７焼結体とした点以外は実施例２、比較例３、比較例５と同条件で実施した。また、実施例９、比較例８、比較例９は、成膜ターゲットとして用いる焼結体をＢａ_２Ｔａ_２Ｏ_７相当の焼結体とした点以外は実施例２、比較例３、比較例５と同条件で実施した。Ｂａ_２Ｔａ_２Ｏ_７相当の焼結体は、Ｂａ：Ｔａ：Ｏ＝２：２：７となるようにＢａＣＯ_３粉末とＴａ_２Ｏ_５粉末とを秤量して作製した。「Ｂａ_２Ｔａ_２Ｏ_７相当の焼結体」と記載するのは、Ｂａ_２Ｔａ_２Ｏ_７の化合物は実在せず、焼結後にＢａ_２Ｔａ_２Ｏ_７の化合物とはなっていないためである。結果を表４に示す。

【0093】

【表4】

【0094】

表４より、成膜用ターゲットの種類を変化させても同様の傾向を示した。なお、実施例８の誘電体薄膜の結晶構造は、他の実施例の誘電体薄膜の結晶構造とは異なりペロブスカイト構造であった。そして、実施例８の誘電体薄膜は比誘電率およびｔａｎδが良好であった。

【0095】

また、実施例８～９および比較例１の各誘電体薄膜について周波数１ＭＨｚで比誘電率を測定した。実施例８～９の各誘電体薄膜の比誘電率は周波数が１ＭＨｚに上昇することで大きく減衰した。一方、比較例１の誘電体薄膜の比誘電率は周波数を１ＭＨｚに上昇させても大きく減衰しなかった。その結果、周波数１ＭＨｚでは比較例１の誘電体薄膜の比誘電率が実施例８～９の各誘電体薄膜の比誘電率よりも大きくなった。

【符号の説明】

【0096】

１・・・薄膜キャパシタ
１１・・・基板
１２・・・第１電極
１３・・・誘電体薄膜
１４・・・第２電極
２１・・・ＳｒＴａＯ_２Ｎのピークに酷似したピーク

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】