(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属元素としてＢａ、ＴｉおよびＳｎ、並びに不可避不純物からなるペロブスカイト型複合酸化物であって、これらの成分をＢａＴｉ１−ｘＳｎｘＯ３と表した時のｘおよびペロブスカイト結晶の平均結晶粒径ｄ（μｍ）が、図１における線分Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ｈ−Ａで囲まれる範囲内にあることを特徴とする誘電体薄膜。
（    ｘ  、  ｄ      ）
Ａ（０．０２、０．０９０）
Ｂ（０．０２、０．１８５）
Ｃ（０．０４、０．１８５）
Ｄ（０．１０、０．１６０）
Ｅ（０．１６、０．１００）
Ｆ（０．２０、０．０８０）
Ｇ（０．１０、０．０４５）
Ｈ（０．０７、０．０４５）
【請求項２】
測定周波数１００ＭＨｚ（室温）における比誘電率が１０００以上であることを特徴とする請求項１記載の誘電体薄膜。
【請求項３】
請求項１記載の誘電体薄膜の両面に電極を形成してなることを特徴とするセラミックコンデンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘電体薄膜およびセラミックコンデンサに関するものであり、例えば、１層当りの膜厚が５μｍ以下の高周波用積層セラミックコンデンサ等に用いられるペロブスカイト型複合酸化物からなる誘電体薄膜およびセラミックコンデンサに関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、電子機器の小型、薄形化に伴い、電子部品の小型化，薄膜化が要求されている。特に受動部品であるコンデンサの小型、薄形化は必須となっている。また、コンピュータ等の高速デジタル回路を用いた電子機器は高周波化の流れにあり、数１０ＭＨｚから数１００ＭＨｚの動作周波数帯域が重要になっている。これにともない、コンデンサ等の受動部品も高周波もしくは高速パルスに対して優れた特性を示すことが必須になってきている。
【０００３】
コンデンサを小型高容量にするためには一対の電極に挟持された誘電体を薄くし、薄膜化することが最も有効である。また、近年電子機器の集積化すなわち電子部品の内蔵化が進んでおり薄膜化が最も有力である。
【０００４】
一方で、薄膜化によりＤＣバイアス電圧印加下での特性が問題になってくる。
【０００５】
即ち、コンデンサは数ボルト以下のＤＣ電圧が印加された状態で使用される為、ＤＣバイアス電圧印加下での誘電特性が重要であるが、特に薄膜では、バルクと同様にＤＣ電圧の印加に対して電界強度は誘電体の厚さに逆比例して大きくなる為、ＤＣバイアス電界に対して比誘電率の減少の小さい材料が必要である。
【０００６】
また、典型的なコンデンサ材料であるＢＴや、ＰＭＮのようなリラクサ材料は１ＫＨｚ程度の低周波領域においては大きな比誘電率を示し、コンデンサ材料として優れた材料であるが、周波数分散が大きいため、高周波領域における比誘電率の減少が大きいと考えられ、高周波領域では高誘電率材料として使えないと考えられてきた（特開平６−７７０８３号公報参照）。
【０００７】
この為、従来薄膜コンデンサ材料として、比誘電率は小さいが、比誘電率の温度変化率が小さく、自発分極がないために自発分極に起因するＤＣバイアス依存性や、高周波領域での比誘電率の減少が小さい常誘電体であるＴａ2 Ｏ5 やＳｒＴｉＯ3 が主に研究されてきた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらのＴａ2 Ｏ5 やＳｒＴｉＯ3 薄膜材料は１ＫＨｚ程度の低周波数においても比誘電率が最大でも数百程度であり、薄膜コンデンサをさらに小型、高容量化するのは困難であった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記の問題点に対して検討を重ねた結果、Ｂサイト元素であるＴｉ原子をＳｎ原子で２ｍｏｌ％から２０ｍｏｌ％置換し、ペロブスカイト結晶の平均結晶粒径を０．０４５〜０．１８５μｍに制御した、即ち、ＢａＴｉ1-x Ｓｎx Ｏ3 と表した時のｘおよびペロブスカイト結晶の平均結晶粒径ｄ（μｍ）を、図１における線分Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ｈ−Ａで囲まれる範囲内とすることにより、粒径の細かい誘電体薄膜においても、１ｋＨｚのみならず１００ＭＨｚの様な高周波においても比誘電率が大きくなり、かつＤＣバイアスに対する特性も良好となることを見出し、本発明に至った。
【００１０】
即ち、本発明の誘電体薄膜は、金属元素としてＢａ、ＴｉおよびＳｎ、並びに不可避不純物からなるペロブスカイト型複合酸化物であって、これらの成分をＢａＴｉ１−ｘＳｎｘＯ３と表した時のｘおよびペロブスカイト結晶の平均結晶粒径ｄ（μｍ）が、図１における線分Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ｈ−Ａで囲まれる範囲内のものである。本発明の誘電体薄膜は、測定周波数１００ＭＨｚ（室温）における比誘電率が１０００以上である。
【００１１】
また、本発明のセラミックコンデンサは、上記した誘電体薄膜の両面に電極を形成してなるものである。
【００１２】
【作用】
ＢａＴｉＯ3 系の誘電体材料においては、１２０℃、１０℃、−７０℃に相転移点が存在し、その近傍で比誘電率が高くなっている。つまり室温付近はこの相転移点の中間に存在し、温度特性は良好であるが比誘電率はあまり大きくない。
【００１３】
本発明の誘電体薄膜では、ＢａＴｉＯ3 のＴｉ原子をＳｎ原子にて置換することにより、３点の相転移点を室温付近にシフトし、室温で３種類の強誘電体相を存在させることにより、高い比誘電率を実現している。
【００１４】
また薄膜中の平均結晶粒径を細かくしていった場合、強誘電体的性質に常誘電体的性質が現れるために、比誘電率は多少低下するが直流電圧がかかった状態の比誘電率の低下が抑制され、ＤＣバイアス特性は良好となる。
【００１５】
さらに、１００ＭＨｚの様な高周波領域においても強誘電性の起源である自発分極が消失するため、自発分極に起因する誘電率の周波数分散が小さくなり、高周波領域においても大きな比誘電率を示す。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明においては、ＢａＴｉ1-x Ｓｎx Ｏ3 と表した時のｘが０．０２〜０．２０であり、平均結晶粒径ｄが０．０４５〜０．１８５を満足するものである。
【００１７】
ｘの値を０．０２〜０．２０としたのは、ｘが０．０２よりも小さい場合にはＢａＴｉＯ3 のサイズ効果により比誘電率が小さくなり、ｘが０．２０よりも大きい場合には比誘電率が最大となる温度が室温以下となり、室温近傍の比誘電率が小さくなるからである。ＢａＴｉ1-x Ｓｎx Ｏ3 と表した時のｘは０．０４〜０．１３であることが、室温で比誘電率が大きくなる点から望ましい。
【００１８】
また、平均結晶粒径ｄを０．０４５〜０．１８５としたのは、平均結晶粒径ｄが０．０４５よりも小さい場合には比誘電率が小さくなるからであり、ｄが０．１８５よりも大きい場合には、ＤＣバイアスに対する比誘電率の変化率が大きくなるからである。
【００１９】
そして、ＢａＴｉ1-x Ｓｎx Ｏ3 と表した時のｘの範囲および平均結晶粒径ｄは、図１における点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈで囲む線分の範囲内にある必要がある。
【００２０】
即ち、（ｘの値，平均結晶粒径ｄ）で表される点Ａ（０．０２，０．０９），Ｂ（０．０２，０．１８５），Ｃ（０．０４，０．１８５），Ｄ（０．１０，０．１６），Ｅ（０．１６，０．１０）、Ｆ（０．２０，０．０８）、Ｇ（０．１０，０．０４５）、Ｈ（０．０７，０．０４５）で囲む線分の範囲内である必要がある。この範囲内としたのは、上記した理由、および図１において線分ＡＨＧＦよりも下方にある部分では、比誘電率が小さくなるからである。また線分ＣＤＥＦよりも上方にある部分では、ＤＣバイアスに対する比誘電率の変化率が大きくなるからである。
【００２１】
ＢａＴｉ1-x Ｓｎx Ｏ3 と表した時のｘの範囲および平均結晶粒径ｄは、図１における点Ｉ，Ｊ，Ｄ，Ｌで囲む線分の範囲内にあることが、比誘電率向上およびＤＣバイアス特性の向上という観点から望ましい。ここで、Ｉ（０．０２，０．１１５）、Ｊ（０．０２，０．１６０）、Ｄ（０．１０，０．１６０），Ｌ（０．１０，０．１１５）である。
【００２２】
本発明の誘電体薄膜は、先ず、金属元素としてＢａ，Ｔｉ，Ｓｎを含有するペロブスカイト型複合酸化物であって、これらの成分をＢａＴｉ1-x Ｓｎx Ｏ3 と表した時のｘが０．０２〜０．２０である原料溶液を作製し、この溶液を基板上に塗布した後、乾燥し、熱処理を繰り返して所望厚さの膜を形成し、焼成することにより得られる。
【００２３】
即ち、本発明で用いられるペロブスカイト型酸化物はＢａＴｉ1-x Ｓｎx Ｏ3 で表され、図１に示すようにｘの範囲が０．０２〜０．２０であり、結晶粒径の範囲が０．０４５〜０．１８５μｍの値を満足する誘電体薄膜は、各成分の組成の制御、膜厚、微粒領域（０．０４５〜１μｍ）での結晶粒径の制御が比較的容易な、以下のような方法で形成することが望ましい。
【００２４】
先ず、Ｂａ，Ｔｉ，Ｓｎの各金属イオンを含有する有機酸塩，無機塩，あるいは金属アルコキシドのような有機金属化合物を出発原料とし、ＢａＴｉ1-x Ｓｎx Ｏ3 におけるｘの範囲が０．０２〜０．２０を満足する組成となるように混合し、原料溶液を調製する。
【００２５】
次に、この原料溶液を基板上に塗布する。溶液の塗布はスピンコーティング，ディップコーティングなどの種々の方法により行うことができる。次に、こうして基板上に塗布された塗膜を脱脂するために大気中で２００〜６００℃で１〜２分間脱脂用熱処理を行い、この後、結晶化するために大気中で７００〜９００℃で３０秒〜１０分間結晶化用熱処理を行う。これらの塗布〜結晶化用熱処理の一連のプロセスを繰り返すことにより所望の膜厚の誘電体薄膜を得、最後に０．０４５〜０．１８５μｍの平均結晶粒径を得るために酸素含有雰囲気中で９００〜１１４０℃で１０分間〜３時間焼成を行い、厚みが５μｍ以下の本発明の誘電体薄膜を得る。粒径は焼成温度で制御した。本発明では、誘電体薄膜の厚みは耐絶縁性および膜の均質性という観点から、０．３〜２μｍが望ましい。
【００２６】
また、本発明の誘電体薄膜では、不可避不純物として、Ｓｒ，Ｃａ，Ｎａ等が１重量％以下混入する場合があるが、特性には影響はない。
【００２７】
本発明の誘電体薄膜は、該誘電体薄膜の上下面に電極を形成して薄膜コンデンサを形成したり、また、誘電体薄膜と電極層を交互に積層して積層コンデンサを形成したりして用いられる。
【００２８】
誘電体薄膜を挟持する電極としては、厚さ０．０５μｍ以上の配向した白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）薄膜等があり、これらのうちでも配向した白金（Ｐｔ）と金（Ａｕ）薄膜が最適である。Ｐｔ、Ａｕは膜との反応性が小さく、また酸化されにくい為、膜との界面に低誘電率相が形成されにくい為である。膜厚を０．０５μｍ以上としたのは０．０５μｍ未満であると高周波領域における等価直列抵抗が大きくなるためである。配向した白金（Ｐｔ）薄膜とは、配向性または単結晶的白金（Ｐｔ）薄膜であり、配向性を有するＰｔ薄膜とは、３つの結晶軸のうち一つの軸が膜表面に近似的に垂直な方向に揃った膜であり、単結晶的Ｐｔ薄膜とは３つの結晶軸が全て揃った膜である。このような電極は、スパッタ蒸着やレーザ蒸着法等物理的蒸着において、電極が形成される基板温度を４５０℃以上とすることにより得られるもので、これらのうちでも、基板温度を４５０℃以上としたスパッタ蒸着が望ましい。
【００２９】
また、金属薄膜を蒸着する基板としては、アルミナ、サファイア、ＭｇＯ単結晶、ＳｒＴｉＯ3 単結晶、チタン被覆シリコン、または銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、スズ（Ｓｎ）、ステンレススティール（Ｆｅ）薄膜もしくは薄板が望ましい。特に、薄膜との反応性が小さく、安価で、硬度が大きく、かつ金属薄膜の結晶性という点からアルミナ、サファイアが望ましく、高周波における低抵抗化の点で銅（Ｃｕ）薄板もしくは銅（Ｃｕ）薄膜が望ましい。
【００３０】
【実施例】
出発原料としてテトラ−イソ−プロポキシチタン、テトラ−ｎ−プロポキシスズを、溶媒である２−メトキシエタノールに溶かし、それぞれチタン溶液とスズ溶液を作製した。また金属バリウムを、溶媒である２−メトキシエタノールに溶解させ、バリウム溶液を作製した。これらの３種の溶液を、ＢａＴｉ1-x Ｓｎx Ｏ3 と表した時のｘが表１の値となるように混合して原料溶液を調製した。
【００３１】
ついで、これら各原料溶液を白金（Ｐｔ）基板上にそれぞれスピンコートし、得られた塗膜に対して大気中３００℃で１分間脱脂用熱処理を行い、この後、大気中７５０℃で５分間結晶化用熱処理を行った。このようなスピンコートによる溶液の塗布から結晶化用熱処理までの一連のプロセスを３０回繰り返し行い、膜厚が０．８μｍの薄膜を形成し、酸素雰囲気中９００〜１１４０℃で１時間焼成を行い、表１の平均結晶粒径ｄの誘電体薄膜を得た。
【００３２】
得られた誘電体薄膜をＸ線回折測定（ＸＲＤ）により分析を行ったところ、いずれもペロブスカイト型酸化物のピークが確認された。また誘電体薄膜を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察し、平均結晶粒径を測定した。さらに、誘電特性の評価は、誘電体薄膜上にＡｕを蒸着して上部電極とし、下部電極であるＰｔ層と平板コンデンサを形成することにより行った。測定はＬＣＲメ−タ−（ヒュウレットパッカ−ド製４２８４Ａ）を用いて行い、測定周波数ｆ＝１ｋＨｚ、印加電圧Ｖrms ＝１００ｍＶとした。室温での比誘電率（Ｋ）、誘電損失（ＤＦ）を測定した。ＤＣバイアス特性を、電圧を印加しない場合の比誘電率Ｋ0 、５ＭＶ／ｍの電圧を印加したときの比誘電率Ｋ1 とした時に、（Ｋ0 −Ｋ1 ）／Ｋ0 ×１００で表される比誘電率の変化率で求めた。
【００３３】
また、インピーダンスアナライザ（ヒュウレットパッカード社製ＨＰ４２９１Ａ，フィクスチャーＨＰ１６０９２Ａ）を用いて１ＭＨｚ〜１．８ＧＨｚにおける特性評価をおこなった。インピーダンスー周波数特性の測定により、１００ＭＨｚ（室温）における等価直列容量を評価し、比誘電率を求めた。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
表１から判るように、図１の点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈの線分で囲まれる本発明の誘電体薄膜は、測定周波数１ｋＨｚ（室温）および１００ＭＨｚにおいて１０００以上の高誘電率を有し、また１ｋＨｚでの誘電損失も１．３８〜２．７０％と小さいことが判る。また、本発明では、ＤＣバイアスに対する比誘電率の変化率は、５ＭＶ／ｍ印加時においても４０％未満の低下である。特に、点Ｉ，Ｊ，Ｄ，Ｋを結ぶ線分で囲まれる範囲内では、測定周波数１ｋＨｚおよび１００ＭＨｚで比誘電率が１３５０以上となっていることが判る。
【００３６】
これに対して、比較例ではいずれも１ｋＨｚ及び１００ＭＨｚにおける比誘電率がそれぞれ１０００よりも低いか、または、ＤＣバイアスに対する比誘電率の変化率が４０％よりも大きい場合があることが判る。
【００３７】
さらに、粉体を原料として作製した粒径が１０μｍ以上の従来のＢａＴｉＯ3 系材料では、高誘電率を有するもののＤＣバイアスに対する比誘電率の変化率は５ＭＶ／ｍ印加時に７０％の低下であり、本願発明では優れた誘電特性を有することが判る。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の誘電体薄膜は、ＤＣバイアス特性、温度特性が優れているうえに、１００ＭＨｚの様な高周波においても比誘電率が大きい為、素子の小型化を図ることができるとともに、ＩＣまわりのデカップリングコンデンサ等の高周波で用いられるコンデンサとして広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】縦軸に本発明の誘電体薄膜の平均結晶粒径ｄ、横軸に本発明の誘電体薄膜の組成式におけるｘを記載した図である。
【図１】
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