(57)【要約】【課題】薄膜誘電体の誘電特性測定に用いる微小薄膜キャパシタンス素子及び薄膜誘電特性測定評価方法であって、高周波数帯域における誘電体の誘電特性を高精度に測定評価することのできる微小薄膜キャパシタンス素子及びそれを用いた薄膜誘電特性測定評価方法を提供する。【解決手段】薄膜誘電体７の誘電特性測定に用いる微小薄膜キャパシタンス素子１であって、被測定試料としての誘電体薄膜７が第１の電極層２ａと第２の電極層６との間に挟まれてなるキャパシタ部２と、前記第１の電極層２ａに電気的に接続されたコンタクト電極３と、前記第２の電極層６に電気的に接続され、前記コンタクト電極３の周りに形成されたグランド電極４とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜誘電体の誘電特性測定に用いる微小薄膜キャパシタンス素子であって、
被測定試料としての誘電体薄膜が第１の電極層と第２の電極層との間に挟まれてなるキャパシタ部と、
前記第１の電極層に電気的に接続されたコンタクト電極と、
前記第２の電極層に電気的に接続され、前記コンタクト電極の周りに形成されたグランド電極とを備えることを特徴とする微小薄膜キャパシタンス素子。
【請求項２】
前記誘電体膜上に、前記第１の電極層と、前記コンタクト電極と、前記グランド電極とが形成されていることを特徴とする請求項１に記載された微小薄膜キャパシタンス素子。
【請求項３】
前記コンタクト電極と前記グランド電極との間のピッチ寸法は、１０μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された微小薄膜キャパシタンス素子。
【請求項４】
前記コンタクト電極の面積は、１００μｍ2以上１００００μｍ2以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載された微小薄膜キャパシタンス素子。
【請求項５】
前記第１の電極層の面形状は円形または正方形であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載された微小薄膜キャパシタンス素子。
【請求項６】
前記請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の微小薄膜キャパシタンス素子を用いた薄膜誘電特性測定評価方法であって、
信号電極とグランド電極との間の電極間ピッチが１０μｍ以上３０μｍ以下の範囲で形成されたコンタクトプローブの信号電極を、前記微小薄膜キャパシタンス素子のコンタクトパッドに接続し、且つ、該プローブのグランド電極を前記微小薄膜キャパシタンス素子の前記グランド電極に接続するステップと、
前記コンタクトプローブを介して測定信号を得るステップとを実行することを特徴とする薄膜誘電特性測定評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、１ＭＨｚ−６０ＧＨｚの高周波領域における誘電体の薄膜誘電特性の測定評価に用いるキャパシタンス素子及びそれを用いた薄膜誘電特性測定評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高速・高集積の半導体ＬＳＩデバイスを用いたデジタル情報通信技術の急速な進展により、情報伝送ネットワーク上のデータ転送速度は数Ｇｂｉｔ（ギガビット）毎秒に達している。
このような高速信号伝送系においては、信号配線として、インピーダンス整合のためのマイクロストリップ線路、コプレーナ線路等の高周波伝送に対応した伝送線路構造を導入することが必須となる。
伝送線路の高周波特性は、線路の断面形状と絶縁層の誘電特性で決まるため、絶縁層の高周波誘電特性を測定評価して、線路の設計にフィードバックすることが重要である。
従来、高周波誘電特性の測定方法として、空洞共振器法、Ｓパラメータ法、静電容量法などがある（非特許文献１、特許文献１等を参照）。
【非特許文献１】ＪＩＳ  Ｒ１６４１
【特許文献１】特開平５−１５７７８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、それら従来の測定方法にあっては、数百μｍから数ｍｍの厚さ寸法の大きめの被測定試料（例えば、１０ｍｍφ、５０ｍｍ角、幅１ｍｍ程度で長さ１０ｃｍ程度等）が必要であり、高速・高集積の半導体ＬＳＩデバイスに実際に用いられる誘電材料の膜厚（数百ｎｍ〜数μｍ）との差が大き過ぎるという課題があった。
即ち、誘電材料の膜厚の大きな被測定試料では、実際のＬＳＩデバイス等に使用したい膜厚の誘電材料の誘電特性と異なることもあるため、またＬＳＩデバイス等に使用する膜厚での作製プロセスのため、膜厚の大きな被測定試料の作製が困難であった。
【０００４】
本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、薄膜誘電体の誘電特性測定に用いる微小薄膜キャパシタンス素子及び薄膜誘電特性測定評価方法であって、高周波数帯域における誘電体の誘電特性を高精度に測定評価することのできる微小薄膜キャパシタンス素子及びそれを用いた薄膜誘電特性測定評価方法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】
【０００５】
前記した課題を解決するために、本発明に係る微小薄膜キャパシタンス素子は、薄膜誘電体の誘電特性測定に用いる微小薄膜キャパシタンス素子であって、被測定試料としての誘電体薄膜が第１の電極層と第２の電極層との間に挟まれてなるキャパシタ部と、前記第１の電極層に電気的に接続されたコンタクト電極と、前記第２の電極層に電気的に接続され、前記コンタクト電極の周りに形成されたグランド電極とを備えることに特徴を有する。尚、前記誘電体膜上に、前記第１の電極層と、前記コンタクト電極と、前記グランド電極とが形成されていることが望ましい。
また、前記コンタクト電極と前記グランド電極との間のピッチ寸法は、１０μｍ以上３０μｍ以下であり、前記コンタクト電極の面積は、１００μｍ2以上１００００μｍ2以下であることが望ましい。
また、前記第１の電極層の面形状は円形または方形であるが、キャパシタンス素子の精密な寸法が必要であることから、作製する上では円形であることが望ましい。
【０００６】
このように構成された微小薄膜キャパシタンス素子によれば、高速・高集積のＬＳＩデバイスに実際に用いられる誘電材料の膜厚に合わせた寸法の試料を用いて、誘電特性の測定を行うことができる。したがって、伝送線路の設計等において、誘電特性の測定評価を高精度にフィードバックすることができる。
【０００７】
また、前記課題を解決するため、本発明に係る薄膜誘電特性測定評価方法は、前記微小薄膜キャパシタンス素子を用いた薄膜誘電特性測定評価方法であって、信号電極とグランド電極との間の電極間ピッチが１０μｍ以上３０μｍ以下に形成されたコンタクトプローブの信号電極を、前記微小薄膜キャパシタンス素子のコンタクトパッドに接続し、且つ、該プローブのグランド電極を前記微小薄膜キャパシタンス素子の前記グランド電極に接続するステップと、前記コンタクトプローブを介して測定信号を得るステップとを実行することに特徴を有する。
【０００８】
このような方法を実施することにより、高速・高集積のＬＳＩデバイスに実際に用いられる誘電材料の膜厚に合わせた寸法の試料を用いて、誘電特性の測定を行うことができる。したがって、伝送線路の設計等において、誘電特性の測定評価を高精度にフィードバックすることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、薄膜誘電体の誘電特性測定に用いる微小薄膜キャパシタンス素子及び薄膜誘電特性測定評価方法であって、高周波数帯域における誘電体の誘電特性を高精度に測定評価することのできる微小薄膜キャパシタンス素子及びそれを用いた薄膜誘電特性測定評価方法を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に係る微小薄膜キャパシタンス素子及びそれを用いた薄膜誘電特性測定評価方法の実施形態について説明する。
図１は、本発明の微小薄膜キャパシタンス素子が適用されるキャパシタンス素子１の平面図、図２は、図１のＡ−Ａ矢視断面図である。
【００１１】
図１、図２に示すように、このキャパシタンス素子１は、被測定試料である誘電体薄膜（誘電体層７）を上下から金属層で挟み込んでなるキャパシタ部２（図２のクロスハッチ領域）と、前記金属層から延設された信号電極であるコンタクトパッド３（コンタクト電極）と、コンタクトパッド３の周囲に前記誘電体層７を介して形成されたグランド電極４とを有する。
ここで、キャパシタ部２における誘電体層７の膜厚及び面積は、ＬＳＩデバイスに用いられる所望の寸法に合わせて形成されている。
【００１２】
また、図２に示すように、キャパシタ部２の第２の電極層を構成するグランド層６は、グランド層を構成する金属が、銅、銀、金、アルミニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニオブであり、誘電体層７の下層に形成されている。
また、グランド層６の下層には、例えばＳｉＯ2或いはＳｉ或いは、シリコンナイトライド、シリコンカーバイドなどの無機絶縁材料、ポリイミドやエポキシ樹脂などの有機絶縁材料からなる絶縁基板層５が設けられている。
尚、本実施の形態においては、被検査試料となる誘電体層７は例えばＳｉＯ2等の無機絶縁体材料、およびポリイミド、ベンゾシクロブテン等の有機誘電体材料より形成され、キャパシタ部２の第１の電極層としての金属層２ａ、コンタクトパッド３、及びグランド電極４は、銅、銀、金、アルミニウム、タングステン、チタン、タンタル、ニオブのような金属層となされている。
【００１３】
尚、図３（ａ）のように、電極層２ａおよび電極層６の下部との層の間に、チタン、チタンナイトライド、タンタル、タンタルナイトライド、パラジウム、アルミニウムなどの密着保護層８を用いることで、電極層と下部層との密着が強固となり、電極層の剥離を防ぎ、キャパシタンス評価時の寄生効果を抑制できる。
また、さらに図３（ｂ）のように、誘電体層７と電極層６との間に、チタン、チタンナイトライド、タンタル、タンタルナイトライド、パラジウム、アルミニウムなどの密着保護層８を用いることで、誘電体層７と電極層６との密着が強固となり、誘電体層７の剥離を防ぎ、キャパシタンス評価時の寄生効果を抑制できる。
また、さらに図３（ｃ）のように、電極層２ａ上部に、金、チタン、チタンナイトライド、タンタル、タンタルナイトライド、パラジウム、アルミニウムなどの保護層８を用いることで、電極層２ａの酸化等の劣化を防ぎ、電極層の抵抗値が上昇する等のキャパシタンス評価時の寄生効果を抑制できる。
【００１４】
また、キャパシタ部２の電極である前記金属層２ａの平面形状は、図１に示すように、好ましくは円形に形成されている。これは、微細形状であっても、円形であれば形成が容易であること、及び形成後の寸法が設計時の寸法とほぼ同一に制御できることの理由による。
また、図１に示す円形のキャパシタ部２の面積ａ１は例えば１６００μｍ2に形成され、コンタクトパッド３とグランド電極４との間の電極間ピッチ寸法ｄ１は、例えば３０μｍに形成されている。
ピッチ寸法ｄ１を微細ピッチで形成することにより、測定装置のコンタクトプローブが接触した際に、コンタクトパッド３の寄生効果を極力排除し、より高精度の測定を行うことができる。
【００１５】
このような構成のキャパシタンス素子１は、図４に断面図で示す作製工程に従い作製することができる。
先ず、ＳｉＯ2或いはＳｉ或いは、シリコンナイトライド、シリコンカーバイドなどの無機絶縁材料、ポリイミドやエポキシ樹脂などの有機絶縁材料からなる絶縁基板層５上に真空蒸着法により金属層を成膜し、グランド層６を形成する（図４（ａ））。
次いで、グランド層６上にＳｉＯ2等の無機絶縁体材料、およびポリイミド、ベンゾシクロブテン等の有機誘電体材料を被測定試料として、誘電体層７（薄膜誘電体）を形成する（図４（ｂ））。
【００１６】
誘電体層７の形成後、フォトリソグラフィ工程によりフォトレジストパターン１０を形成し（図４（ｃ））、エッチングにより誘電体層７に、グランド層６への接続穴を形成する（図４（ｄ））。
次いで、フォトレジスト１０を除去し（図４（ｅ））、さらにフォトリソグラフィ工程により、誘電体層７上に金属層を形成する部分のフォトレジストパターン１１を形成する（図４（ｆ））。
【００１７】
そして、フォトレジストパターン１１上から真空蒸着法により、金属層２０を成膜し（図４（ｇ））、最後にフォトレジスト１１を除去することによりキャパシタ部２の上部電極としての金属層２ａ、コンタクトパッド３、及びグランド電極４が形成される（図４（ｈ））。
【００１８】
尚、キャパシタンス素子１は、図５に断面図で示す作製工程に従い作製することもできる。
先ず、ＳｉＯ2或いはＳｉ或いは、シリコンナイトライド、シリコンカーバイドなどの無機絶縁材料、ポリイミドやエポキシ樹脂などの有機絶縁材料からなる絶縁基板層５上に真空蒸着法により密着保護層８、金属層６ｂを成膜する。
次いで、金属層６ｂ上にめっき法により金属膜６ａを成膜し、金属膜６ａおよび金属膜６ｂを合わせてグランド層６を形成する（図５（ｂ））。
次いで、グランド層６上にＳｉＯ2等の無機絶縁体材料、およびポリイミド、ベンゾシクロブテン等の有機誘電体材料を被測定試料として、誘電体層７（薄膜誘電体）を形成する（図５（ｃ））。
【００１９】
誘電体層７の形成後、フォトリソグラフィ工程によりフォトレジストパターン１０を形成し（図５（ｄ））、エッチングにより誘電体層７に、グランド層６への接続穴を形成し（図５（ｅ））、フォトレジスト１０を除去する（図５（ｆ））。
次いで、誘電体層７上に真空蒸着法により密着保護層９、金属層２ｂを成膜し（図５（ｇ））、さらにフォトリソグラフィ工程により、誘電体層７上に金属層を形成する部分のフォトレジストパターン１１を形成する（図５（ｈ））。
【００２０】
そして、フォトレジストパターン１１形成後、めっき法により、金属層２０を成膜し（図５（ｉ））、フォトレジスト１１を除去する（図５（ｊ））。最後に上面に現れている金属層２０以外の金属層２ｂおよび９をエッチングすることによりキャパシタ部２の上部電極としての金属層２ａ、コンタクトパッド３、及びグランド電極４が形成される（図５（ｋ））。
【００２１】
また、誘電体層７に、グランド層６への接続穴を形成する場合、誘電体層が、例えば、感光性ポリイミドのように誘電体層自体が感光性をもち、且つ、感光性ポリイミドがポジ型感光性ポリイミドの場合には、図６に示す手順により形成することができる。
即ち、図６に示すように、金属層６上に誘電体層７を形成後（図６（ａ））、フォトマスクを用いてグランド層６への接続穴部分へ紫外線露光１５を行い（図６（ｂ））、露光部分を現像（エッチング１６）する（図６（ｃ））。これにより、誘電体層７に、グランド層６への接続穴を形成することができる（図６（ｄ））。
【００２２】
またさらに、感光性を示す誘電体層７がネガ型感光性誘電体層の場合、金属層６上に誘電体層７を形成後（図７（ａ））、フォトマスクを用いてグランド層６への接続穴以外の部分へ紫外線露光１５を行い（図７（ｂ））、未露光部分を現像（エッチング１６）する（図７（ｃ））ことで、誘電体層７に、グランド層６への接続穴を形成することができる（図７（ｄ））。
【００２３】
以上のように形成されたキャパシタンス素子１を用い、薄膜誘電特性測定評価を行う場合、コンタクトパッド３及びグランド電極４に対し、例えばベクトルネットワークアナライザ等の測定機器に接続された微細ピッチの高周波プローブを電気的に接続する。ここで用いる高周波プローブとは、信号電極とグランド電極との間の電極間ピッチが、コンタクトパッド３及びグランド電極４の電極間ピッチに合わせて、例えば１０μｍ以上３０μｍ以下の間で設定され、形成されたコンタクトプローブ（図示せず）である。尚、このようなプローブは、例えば、特開２００６−１０６７８号公報に開示されたコンタクトプローブやＰＣＴ公開特許公報ＷＯ２００７／１２３１８５に開示された微細ピッチマルチチャンネルコンタクトプローブをシングルチャンネルで用いることで、好適に用いることが出来る。
【００２４】
具体的には、高周波プローブの信号電極を、キャパシタンス素子１のコンタクトパッド３に接続し、且つ、該プローブのグランド電極をキャパシタンス素子１のグランド電極４に接続する。
そして、前記高周波プローブを介して測定信号を得て、測定機器を用いて高周波数領域におけるアドミッタンスを求める。また、このときキャパシタ素子１と同様のコンタクトパッド構造をもつオープン素子と、ショート素子を、前記高周波プローブを解して測定信号を得て、オープン素子およびショート素子のアドミッタンスを求める。キャパシタンス素子、オープン素子、ショート素子の３つのアドミッタンスから、キャパシタ部２における薄膜誘電体の誘電特性の測定評価を行うことができる。
【００２５】
尚、薄膜誘電体の誘電特性の測定評価に関しては、非特許文献２に記載されている（非特許文献２：『Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｈｉｇｈ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｎ ｔｈｅ ｍｍ−Ｗａｖｅ Ｂａｎｄ ｆｏｒ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ ｏｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ』，生田健治， 楳田洋太郎，石井康信，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．９Ｂ，ｐｐ．Ｌ１２１１−Ｌ１２１３，１９９５）
【００２６】
以上のように、本発明に係る微小薄膜キャパシタンス素子によれば、高速・高集積のＬＳＩデバイスに実際に用いられる誘電材料の膜厚に合わせた大きさの試料を用いて、試料に対する誘電特性の測定を行うことができる。
したがって、伝送線路の設計等において、誘電特性の測定評価を高精度にフィードバックすることができる。
【００２７】
尚、前記実施の形態においては、キャパシタンス部２の面積ａ１を１６００μｍ2、コンタクトパッド３とグランド電極４との間のピッチ寸法ｄ１を３０μｍの例を示したが、本発明にあっては、キャパシタンス部２の面積ａ１およびピッチ寸法ｄ１は、それに限定されるものではない。
コンタクトパッド３とグランド電極４との間のピッチ寸法ｄ１は図８に示すように、例えば、誘電体層７の膜厚が５００ｎｍの場合、３０μｍ以下では、誘電特性である誘電率および誘電正接損の真値からのずれが５パーセント以内となり、ピッチ寸法ｄ１を微細ピッチで形成することにより、測定装置のコンタクトプローブが接触した際に、コンタクトパッド３の寄生効果を極力排除し、より高精度の測定を行うことができる。
【００２８】
また、キャパシタ部２の面積ａ１は図９に示すように、例えば、誘電体層７の膜厚が１μｍの場合、１００００μｍ2以下では、誘電特性である誘電率および誘電正接損の真値からのずれが５パーセント以内となり、キャパシタンス素子自体の寄生効果が小さくなり、より高精度の測定を行うことができる。
例えば、図１０（ａ）に示すように、コンタクトパッド３とグランド電極４との間のピッチ寸法ｄ１の寸法を小さく（例えば、ピッチ寸法ｄ１＝２０μｍ）形成することがより好ましい。また、図１０（ｂ）に示すように、グランド電極４の構造はコンタクトパッドの左右に分割されていても良い。
また、前記実施の形態においては、キャパシタ部２の好ましい平面形状として、円形を示したが、本発明にあっては、それに限定されず、例えば、図１１に示すような方形状であってもよい。
【００２９】
尚、本発明の対応する周波数に関しては、図１２に示すように、例えば、誘電体層７の膜厚が５００ｎｍの場合、誘電率および誘電正接損の真値からのずれが５パーセント以内となり、６０ＧＨｚ程度まではキャパシタンス素子自体の寄生効果が小さく、より高精度の測定を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、特に、１ＭＨｚ−６０ＧＨｚでの高周波領域における誘電体の薄膜誘電特性の測定評価に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、本発明の微小薄膜キャパシタンス素子が適用されるキャパシタンス素子の平面図である。
【図２】図２は、図１のキャパシタンス素子のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図３】図３は、図１のキャパシタンス素子の他の形態を示すＡ−Ａ矢視断面図である。
【図４】図４は、図１のキャパシタンス素子の作製工程を示す断面図である。
【図５】図５は、図１のキャパシタンス素子の他の作製工程を示す断面図である。
【図６】図６は、図１のキャパシタンス素子の他の作製工程を示す断面図である。
【図７】図７は、図１のキャパシタンス素子の他の作製工程を示す断面図である。
【図８】図８は、図１のキャパシタンス素子のコンタクトパッド３とグランド電極４との間のピッチ寸法ｄ１の変化に対応する誘電特性の変位量を示すグラフである。
【図９】図９は、図１のキャパシタンス素子のキャパシタ部２の面積ａ１の変化に対応する誘電特性の変位量を示すグラフである。
【図１０】図１０は、図１のキャパシタンス素子の他の形態を示す平面図である。
【図１１】図１１は、図１のキャパシタンス素子の他の形態を示す平面図である。
【図１２】図１２は、図１のキャパシタンス素子の周波数に対応する誘電特性の変位量を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３２】
１      キャパシタンス素子（微小薄膜キャパシタンス素子）
２      キャパシタ部
２ａ    金属層（第１の電極層）
３      コンタクトパッド（コンタクト電極）
４      グランド電極
５      絶縁基板層
６      グランド層（第２の電極層）
７      誘電体層（誘電体薄膜）
８      密着保護層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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