(57)【要約】【課題】絶縁抵抗の経時的劣化が起こった際に容易に絶縁破壊に至るコンデンサを確実に除外できるコンデンサのスクリーニング方法を提供する。【解決手段】コンデンサを高温負荷寿命試験に供した際に、絶縁抵抗の保証値下限に達したコンデンサに関して見積もられる劣化による局所電界と同等以上の局所電界を印加するスクリーニングを行う。【選択図】図１
2004259892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体層を下部電極層と上部電極層とで挟持してなるコンデンサのスクリーニング方法であって、
試料となる前記コンデンサおよびスクリーニング対象となる前記コンデンサを用意する工程と、
前記試料用コンデンサの寿命試験を行い、前記コンデンサで規定された絶縁抵抗値の保証範囲の下限に達するまで劣化させるとともに、その劣化させた状態の試料用コンデンサの局所電界値を測定する工程と、
前記スクリーニング対象のコンデンサに前記測定された局所電界値と同等またはそれ以上の局所電界を印加する工程と、
前記スクリーニング対象のコンデンサの絶縁抵抗値を測定して、前記絶縁抵抗値の保証範囲を下回るコンデンサのみを欠陥品と判断して、前記スクリーニング対象となるコンデンサから該コンデンサを除外する工程と
からなることを特徴とするコンデンサのスクリーニング方法。
【請求項２】
前記コンデンサは、支持基板上に下部電極層、薄膜誘電体層及び上部電極層を順次積層して成ることを特徴とする請求項１記載のコンデンサのスクリーニング方法。
【請求項３】
前記所定局所電界を、複数回印加することを特徴とする請求項１記載のコンデンサのスクリーニング方法。
【請求項４】
前記試料コンデンサで測定される局所電界値が、以下に示すショットキー型伝導モデル式：
ｌｎ（ＪＳＥ／  Ｔ２）  ＝  ｌｎ（Ａ＊）  −  ｅ＊φＢ／ｋＴ  ＋  （βＳＥ／ｋＴ）  ・  √（ＥＢ’  ＋  Ｅｌｏｃａｌ， Ｖｏ）
ＪＳＥ：電流密度、Ｔ：絶対温度、Ａ＊：定数、ｅ＊：電子の有効電荷
ΦＢ：バリアハイト、ｋ：ボルツマン定数、βＳＥ  ＝  √（ｅ＊３／４πεｄε０）、
εｄ：電子注入の際の実効誘電率、ε０：真空の誘電率、
ＥＢ’：  電圧を前記誘電体層の膜厚で割って求められる印加電界に、
誘電体層におけるバウンダリの誘電率に対するグレインの
誘電率の比を掛けて求められる局所電界。
Ｅｌｏｃａｌ，Ｖｏ：前記コンデンサを寿命試験に供した際に、絶縁抵抗の保証値下限に達したコンデンサに関して見積もられる劣化による局所電界
より求められることを特徴とする請求項１記載のコンデンサのスクリーニング方法。
【請求項５】
前記コンデンサをスクリーニングする際の局所電界が、スクリーニングのために印加される電圧を誘電体層の膜厚で割って求められる印加電界に、誘電体層におけるバウンダリの誘電率に対するグレインの誘電率の比を掛けた値と同等以上であることを特徴とする請求項１記載のコンデンサのスクリーニング方法。
【請求項６】
前記コンデンサをスクリーニングする際に直流定電圧を印加する回数を７回以上とすることを特徴とする請求項１記載のコンデンサのスクリーニング方法。
【請求項７】
前記コンデンサをスクリーニングする際に直流電圧を印加する回数のうち、少なくとも１回は、他よりも長い時間印加されることを特徴とする請求項１記載のコンデンサのスクリーニング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は１対の電極層および誘電体層を順次積層して成るコンデンサのスクリーニング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＬＳＩの高密度化に伴い、ＬＳＩの周辺回路に用いられるコンデンサにおいても、小型化することが求められている。
【０００３】
小型化されたコンデンサとしては、セラミックプロセスにおいて製造される積層セラミックコンデンサの誘電体層を薄層化したものや、支持基板上に下部電極層、薄膜誘電体層、上部電極層をスパッタリング法等の薄膜製造プロセスにより形成した薄膜コンデンサなどが検討されている。
【０００４】
このようなコンデンサでは、誘電体層の厚みが薄いため、コンデンサのサイズを小さくしても、必要とされる静電容量を得ることができ、その結果、高密度実装が可能となる。
【０００５】
上述したように、誘電体層の厚みは、高密度実装を達成するために重要となるが、その反面、誘電体層の膜厚が薄いと、印加電圧が低くても、非常に高い電界強度が誘電体層にかかることになり、経時的な絶縁劣化が起こりやすくなる。特に、大量生産品においては何らかの初期欠陥を有する素子が混入している場合があり、このような初期欠陥品は、正常な製品に比べて極めて短い時間で劣化が進むという問題があった。
【０００６】
このような課題を解決するために、初期欠陥品を除去するスクリーニングを行うことが考えられる。
【０００７】
例えば、直流定電流を印加し、電極間の電圧を昇圧させて電圧カーブが平坦特性になった時点から更に直流定電流を所定時間通電し、その通電時間内において電極間の電圧が急激に降下した物の選別をすることが提案されている（特開２０００−２２８３３８参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−２２８３３８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、スクリーニング条件の重要な要点である電圧を規定する方法に関して、電流−電圧特性曲線が完全に平坦になることはほとんどなく、また、電流−電圧特性曲線の一部を直線近似したとして、その直線の勾配が如何ほどになった場合に平坦とみなすかの規定がされているわけでもなく、さらに最も致命的な点として、寿命試験において実際に劣化した製品の内部ストレスが規定されていないため、必ずしも適切なスクリーニング電圧が定まらず、現実に起こる絶縁抵抗の経時的劣化と異なるメカニズムによってスクリーニング時にコンデンサが破壊されてしまうという問題があった。
【００１０】
加えて、特開２０００−２２８３３８号では、直流定電流を所定時間通電した後、更に極性を反転させた直流定電流を所定時間通電することが提案されている。
【００１１】
しかしながら、極性を反転しなくとも、通電開始時と終了時には、逆方向の電流が流れるため、複数回の通電により同等な効果が発揮され得るものを、より複雑化してしまうという問題点があった。
【００１２】
本発明は上述の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、絶縁抵抗の経時的劣化における理論的メカニズムと照らし合わせて適切な条件を明確に設定できるコンデンサのスクリーニング方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、誘電体層を下部電極層と上部電極層とで挟持してなるコンデンサのスクリーニング方法であって、
試料となる前記コンデンサおよびスクリーニング対象となる前記コンデンサを用意する工程と、
前記試料用コンデンサの寿命試験を行い、前記コンデンサで規定された絶縁抵抗値の保証範囲の下限に達するまで劣化させるとともに、その劣化させた状態の試料用コンデンサの局所電界値を測定する工程と、
前記スクリーニング対象のコンデンサに前記測定された局所電界値と同等またはそれ以上の局所電界を印加する工程と、
前記スクリーニング対象のコンデンサの絶縁抵抗値を測定して、前記絶縁抵抗値の保証範囲を下回るコンデンサのみを欠陥品と判断して、前記スクリーニング対象となるコンデンサから除外する工程と
からなることを特徴とするコンデンサのスクリーニング方法である。
【００１４】
また、コンデンサは、支持基板上に下部電極層、薄膜誘電体層及び上部電極層を順次積層して成る。
【００１５】
また、所定局所電界を、複数回印加する。
【００１６】
また、試料コンデンサで測定される局所電界値が、以下に示すショットキー型伝導モデル式：
ｌｎ（ＪＳＥ／  Ｔ２）  ＝  ｌｎ（Ａ＊）  −  ｅ＊φＢ／ｋＴ  ＋  （βＳＥ／ｋＴ）  ・  √（ＥＢ’  ＋  Ｅｌｏｃａｌ， Ｖｏ）
ＪＳＥ：電流密度、Ｔ：絶対温度、Ａ＊：定数、ｅ＊：電子の有効電荷
ΦＢ：バリアハイト、ｋ：ボルツマン定数、βＳＥ  ＝  √（ｅ＊３／４πεｄε０）、
εｄ：電子注入の際の実効誘電率、ε０：真空の誘電率、
ＥＢ’：  電圧を前記誘電体層の膜厚で割って求められる印加電界に、
誘電体層におけるバウンダリの誘電率に対するグレインの
誘電率の比を掛けて求められる局所電界。
【００１７】
Ｅｌｏｃａｌ，Ｖｏ：前記コンデンサを寿命試験に供した際に、
絶縁抵抗の保証値下限に達したコンデンサに関して
見積もられる劣化による局所電界。
より求められる。
【００１８】
また、前記コンデンサをスクリーニングする際の局所電界が、スクリーニングのために印加される電圧を誘電体層の膜厚で割って求められる印加電界に、誘電体層におけるバウンダリの誘電率に対するグレインの誘電率の比を掛けた値と同等以上である。
【００１９】
また、前記コンデンサをスクリーニングする際に直流定電圧を印加する回数を７回以上とする。
【００２０】
前記コンデンサをスクリーニングする際に直流電圧を印加する回数のうち、少なくとも１回は、他よりも長い時間印加される。
【００２１】
【作用】
本発明のコンデンサのスクリーニング方法によって、スクリーニング対象のコンデンサがスクリーニングされる。特に、試料用コンデンサを用いて、高温負荷などの寿命試験を行い、コンデンサで規定された絶縁抵抗の保証範囲の下限値に達するまで劣化させて、この劣化させた状態の試料用コンデンサから局所電界を測定する。そして，測定された局所電界と同等以上の局所電界を、スクリーニング対象のコンデンサに印加する。このとき、絶縁抵抗値を測定して、絶縁抵抗値が保証範囲内かどうかを判断する。
【００２２】
したがって、実際にコンデンサの絶縁抵抗に経時的な劣化が起こり得るものを、初期の段階で正確に識別することができる。
【００２３】
これは、経時的劣化による電界集中も、初期の段階でスクリーニングの際に電圧を印加したことによる電界集中も共にバウンダリで起こるためであり、経時的劣化による電界集中を次の方法により定量的に見積もることができるためである。即ち、前記試料用コンデンサを寿命試験に供した際に、絶縁抵抗の保証範囲の下限値に達した試料用コンデンサに関して見積もられる劣化による局所電界が、以下に示す修正されたショットキー型伝導モデル式：
ｌｎ（ＪＳＥ／  Ｔ２）  ＝  ｌｎ（Ａ＊）  −  ｅ＊φＢ／ｋＴ  ＋  （βＳＥ／ｋＴ）  ・  √（ＥＢ’  ＋  Ｅｌｏｃａｌ， Ｖｏ）
ＪＳＥ：電流密度、Ｔ：絶対温度、Ａ＊：定数、ｅ＊：電子の有効電荷
ΦＢ：バリアハイト、ｋ：ボルツマン定数、βＳＥ  ＝  √（ｅ＊３／４πεｄε０）、
εｄ：電子注入の際の実効誘電率、ε０：真空の誘電率、
ＥＢ’：  電圧を前記誘電体層の膜厚で割って求められる印加電界に、
誘電体層におけるバウンダリの誘電率に対するグレインの
誘電率の比を掛けて求められる局所電界。
【００２４】
Ｅｌｏｃａｌ，Ｖｏ：前記コンデンサを寿命試験に供した際に、
絶縁抵抗の保証値下限に達したコンデンサに関して
見積もられる劣化による局所電界。
より求められるためである。
【００２５】
また、前記コンデンサをスクリーニングする際の局所電界が、スクリーニングのために印加される電圧を誘電体層の膜厚で割って求められる印加電界に、誘電体層におけるバウンダリの誘電率に対するグレインの誘電率の比を掛けた値と同等以上であることにより、経時的劣化の起こった際に容易に絶縁破壊に至る素子を正確に識別することができる。
【００２６】
さらに、前記コンデンサをスクリーニングする際に直流定電流を通電する回数を７回以上とすることで、経時的劣化の起こった際に容易に絶縁破壊に至る素子をより確実に且つ信頼性高く識別し、除外することができる。
【００２７】
さらに、必要に応じて、前記コンデンサをスクリーニングする際に直流電圧を印加する回数のうち、少なくとも１回は、他よりも長い時間印加されることで、経時的劣化の起こった際に容易に絶縁破壊に至るものをより確実に識別し、除外することができる。
【００２８】
これらは、誘電体層に焼成された形成されるセラミック誘電体層のみならず、誘電体層に薄膜技法を用いて形成される薄膜誘電体層をもつ薄膜コンデンサであっても適用できるが、経時的な劣化の著しい薄膜コンデンサにおいて、特に有効なスクリーニング方法であると言える。
【００２９】
以上の通り、本発明のスクリーニング方法を施されたコンデンサは、経時的劣化の起こった際に容易に絶縁破壊に至る素子を正確に判断でき、除外することができることで、例えば、ＬＳＩの周辺回路に用いられるコンデンサとして長期信頼性が良好となり好適となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のコンデンサのスクリーニング方法を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３１】
図１は本発明にかかるコンデンサを示す断面図であり、図２は、その平面図である。尚、図１は、図２中のＡ−Ａ線の断面構造を示す。尚、コンデンサとしては、薄膜技法で誘電体層を形成した薄膜コンデンサで説明する。
【００３２】
同図において、１は支持基板であり、支持基板１の上に下部電極層２を形成し、この下部電極層２の上に誘電体層３が形成されている。誘電体層３上には、上部電極層４、保護層５を順次積層する。ここで、下部電極層２と上部電極層４とに挟持された誘電体層３の領域が容量発生領域となる。そして、下部電極層２の一部は、容量発生領域から延出しており、この延出部の一部は、保護層５から露出している。また、上部電極層４の一部は、保護層５から露出している。そして、この保護層５から露出する下部電極層２の一部及び上部電極層４の一部には、はんだにより外部端子６、７が形成される。
【００３３】
支持基板１は、コンデンサを機械的に支持するためのものであり、材質、製法は特に制限されないが、サファイア単結晶などが例示できる。
【００３４】
下部電極層２は、誘電体層３に直流電圧を印加するために配置される。
【００３５】
この下部電極層２は白金などの導電性の高い金属類で構成され、支持基板１上にＤＣスパッタリング法等により形成される。なお、基板との密着性を向上するためにチタニア等の金属酸化物層を介する場合もある。
【００３６】
誘電体層３は、下部電極層２と上部電極層４との間にあって、両電極から直流電圧を印加されることにより電荷を蓄積するために配置される。
【００３７】
誘電体層３は、ペロブスカイト型結晶構造を有する金属酸化物であるチタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸ストロンチウムバリウムなどが用いられ、高周波スパッタリング法等などの薄膜技法により形成される。
【００３８】
上部電極層４は、下部電極層２と同じく、誘電体層３に直流電圧を印加するために配置される。この上部電極層４は金、白金などの導電性の高い金属で構成され、誘電体層３の上にＤＣスパッタリング法等により形成される。
【００３９】
保護層５は、下部電極層２、誘電体層３、上部電極層４からなる容量発生領域を外部の湿気から遮断するとともに、外部端子６、７の形成位置を特定するために配置される。この保護層５は、ポリイミド、ポリベンゾシクロブテン、シリカ、チッ化珪素などのうち少なくとも１種類で構成され、上部電極層４の上にスピンコーティング法、ＣＶＤ法などにより形成される。
【００４０】
外部端子６、７は、ＬＳＩ、周辺回路とコンデンサを電気的に接続するために配置される。この外部端子６、７は、錫を主成分とし、銀、銅などのうち少なくとも１種類を副成分とする、はんだで構成され、スクリーン印刷法などにより形成される。
【００４１】
保護層５から露出する上部電極層４の一部には、外部端子６が形成され、保護層５から露出する下部電極層２の一部には、外部端子７が形成される。保護層５に各露出領域を形成するように、誘電体層３、上部電極層４、保護層５にウエットエッチング法、または、ドライエッチング法により貫通孔を形成する。
【００４２】
エッチングに用いられるエッチャントには、ウエットエッチングでは、種々の酸や、特に金をエッチングする場合にはシアン化カリウム水溶液などが用いられる。また、ドライエッチングでは、アルゴン、酸素、フレオンなどが用いられる。
【００４３】
こうして得られたコンデンサを以下の方法によりスクリーニングする。
まず、スクリーニング対象のコンデンサと同一のコンデンサを試料用コンデンサとして準備する。
【００４４】
次に、スクリーニング対象のコンデンサの経時的劣化の起こった際に容易に絶縁破壊に至り得るコンデンサを正確に識別するためには、試料用コンデンサの寿命試験をおこなう。この寿命試験では、コンデンサに規定される絶縁抵抗の保証範囲の下限値に達するまで劣化させ、劣化した状態の試料用コンデンサの局所電界を測定する。その後、スクリーニング対象のコンデンサに対して測定された局所電界と同等以上の局所電界を印加する。その後、電界を印加したコンデンサに対して絶縁抵抗の範囲内に存在しているかを測定して、規格外の絶縁抵抗を示すものを、欠陥を有するコンデンサとして除外する。
【００４５】
このとき、試料用コンデンサにて見積もられる劣化による局所電界は、以下に示す修正されたショットキー型伝導モデル式：
ｌｎ（ＪＳＥ／  Ｔ２）  ＝  ｌｎ（Ａ＊）  −  ｅ＊φＢ／ｋＴ  ＋  （βＳＥ／ｋＴ）  ・  √（ＥＢ’  ＋  Ｅｌｏｃａｌ， Ｖｏ）
ＪＳＥ：電流密度、Ｔ：絶対温度、Ａ＊：定数、ｅ＊：電子の有効電荷
ΦＢ：バリアハイト、ｋ：ボルツマン定数、βＳＥ  ＝  √（ｅ＊３／４πεｄε０）、
εｄ：電子注入の際の実効誘電率、ε０：真空の誘電率、
ＥＢ’：  電圧を前記誘電体層の膜厚で割って求められる印加電界に、
誘電体層におけるバウンダリの誘電率に対するグレインの
誘電率の比を掛けて求められる局所電界。
【００４６】
Ｅｌｏｃａｌ，Ｖｏ：前記コンデンサを寿命試験に供した際に、
絶縁抵抗の保証値下限に達したコンデンサに関して
見積もられる劣化による局所電界。
より正確に求められる。なお、上式の局所電界に異物の影響が見られるときは、これも補正する。
また、コンデンサをスクリーニングする際の局所電界は、スクリーニングのために印加される電圧を誘電体層の膜厚で割って求められる印加電界に、誘電体層におけるバウンダリの誘電率に対するグレインの誘電率の比を掛けた値と同等以上である。これにより、経時的劣化に伴い絶縁破壊に至るコンデンサを確実に破壊させることができる。なお、試料用コンデンサの局所電界に異物の影響があってこれを補正した場合、スクリーニングされるコンデンサについては、異物の影響を事実上無視できる程度に改善された製造工程にて製造される。
【００４７】
さらに、前記コンデンサをスクリーニングする際に直流定電流を通電する回数を７回以上とすることで、経時的劣化に伴い容易に絶縁破壊に至るコンデンサをより確実に識別することができる。さらに、必要に応じて、前記コンデンサをスクリーニングする際に直流電圧を印加する回数のうち、少なくとも１回は、他よりも長い時間印加されることで、経時的劣化に伴い容易に絶縁破壊に至るコンデンサをより確実に識別することができる。
【００４８】
かくして本発明のコンデンサのスクリーニング方法によれば、経時的劣化に伴い容易に絶縁破壊に至るコンデンサを正確に、且つ信頼性高く識別することができ、良品から除外することができる。
【００４９】
そして、かかる本発明のスクリーニング方法を施されたコンデンサは、ＬＳＩの周辺回路に用いられるコンデンサに好適に用いることができる。
【００５０】
【実施例】
次に本発明のコンデンサのスクリーニング方法について具体例を説明する。
【００５１】
〔実施例１〕
サファイア単結晶からなる支持基板１（厚さ０．２５ｍｍ）上に、チタニア−白金層（厚さは、下から順に、チタニアが１０ｎｍ、白金が５０ｎｍ）からなる下部電極層２をＤＣスパッタリング法で成膜して、これをアルゴンでドライエッチングして所望の形状に加工した。
【００５２】
続いて、下部電極層２の上からチタン酸ストロンチウムバリウム（ストロンチウム／バリウム比  ＝  ０．５／０．５）のターゲットを用いて、高周波スパッタリング法によって誘電体層３を形成した。具体的には基板温度６００℃で厚さ２７０ｎｍの誘電体層を形成した。
【００５３】
次に、成膜された誘電体層３をフレオンでドライエッチングして所望の形状に加工した。
【００５４】
続いて、誘電体層３上に、金―ニッケル−金の積層膜（厚さは、下から順に、金が３００ｎｍ、ニッケルが１０００ｎｍ、金が１００ｎｍからなる上部電極層４をＤＣスパッタリング法で成膜して、これを、市販のシアン化カリウム水溶液、希硝酸、シアン化カリウム水溶液の順にエッチャントを用いてウエットエッチングして所望の形状に加工した。
【００５５】
続いて、上部電極層４の上に、シリカ（厚さ２５００ｎｍ）およびポリベンゾシクロブテン（厚さ３０００ｎｍ）からなる保護層５を、シリカをＣＶＤ法で、ポリベンゾシクロブテンをスピンコーティング法で成膜して、これを酸素、フレオンで順次ドライエッチングして所望の形状に加工した。
【００５６】
最後に、露出した下部電極層２の一部、および、露出した上部電極層４の一部の上に、市販の錫系はんだペーストをスクリーン印刷し、リフロー炉中において２６５℃で熱処理し、下部電極層２、または、上部電極層４に接した外部端子６、７を形成した。かくしてコンデンサＡを得た。
【００５７】
得られたコンデンサの１つを試料用コンデンサとして、いったん、１４５℃にて、４Ｖの電圧を印加して高温負荷寿命試験を行う。尚、このコンデンサの絶縁抵抗の保証範囲下限値を、２．５Ｖで１０ＭΩとする。
そして、これを若干切った劣化品の局所電界を、修正されたショットキー型伝導モデルにより、８０ＭＶ／ｃｍと見積もった。
【００５８】
その上で、８０ＭＶ／ｃｍに対し、２５％のマージンを付加した１００ＭＶ／ｃｍの局所電界がかかるように、再度、誘電体層中に異物（パーティクル）の混入を減らした厳密な製造工程にて製造されたコンデンサＡ’を作成した。
その後、上述の１００ＭＶ／ｃｍの局所電界を印加して、スクリーニングの対象となるコンデンサＡ’にスクリーニングを施した。そして、この局所電界は、例えば、通電の回数を７回とし初回の電圧印加を６秒間印加し、残りの６回の電圧印加を１秒間ずつ印加した。
そして、このように印加したコンデンサＡ‘で絶縁破壊が発生したものを欠陥を有するコンデンサとし除外した。
【００５９】
なお、スクリーニングの際には、試料用コンデンサとして用いたコンデンサＡを用いて、コンデンサＡで規定された絶縁抵抗の保証範囲の下限値に相当する局所電位を用いて、スクリーニング対象のコンデンサに対してスクリーニングすればよい。上述のように、マージンとして例えば２５％を付加した局所電界値を採用すること、さらに、異物の混入を減少させたコンデンサＡ‘を再度作成してスクリーニング対象としたこと、さらに、通電回数を複数回おこなうこと、しかも、その通電時間を長く設定したことは、経時的な劣化に伴い欠陥となりうるコンデンサを、完全に除去するためにおこなうものである。
【００６０】
ここで、上述の局所電界を決定するにあたり、ショットキー型伝導モデルの修正を、以下のように行った。
【００６１】
金属からの真空中への熱電子放出による電流密度：Ｊは、次式にしたがう。
【００６２】
【数１】
2004259892.tif 000003
【００６３】
金属から絶縁体中への電子放出による電流密度は、（１）式とのアナロジーから次式に従う
【００６４】
【数２】
2004259892.tif 000004
【００６５】
イメージフォース（Ｆ）によりバリアハイトは低くなる。
【００６６】
【数３】
2004259892.tif 000005
【００６７】
【数４】
2004259892.tif 000006
【００６８】
さらに外部電界が加わることによりバリアハイトは低くなる。
【００６９】
【数５】
2004259892.tif 000007
【００７０】
【数６】
2004259892.tif 000008
【００７１】
ｄφ‘／ｄｘ＝０よりφ’の極大値を求める。
【００７２】
【数７】
2004259892.tif 000009
【００７３】
【数８】
2004259892.tif 000010
【００７４】
【数９】
2004259892.tif 000011
【００７５】
正味のバリアハイトは
【００７６】
【数１０】
2004259892.tif 000012
【００７７】
【数１１】
2004259892.tif 000013
【００７８】
よって、
【００７９】
【数１２】
2004259892.tif 000014
【００８０】
これが通常のショットキー型伝導モデルの式である。
ここで、酸素欠陥の金属／誘電体界面への偏析により局所電界がかかると
【００８１】
【数１３】
2004259892.tif 000015
【００８２】
となると考える。ｅφＢ≒βＳＥ（Ｅ＋Ｅｌｏｃａｌ，ＶＯ）１／２であると、バリアが消失し、ショットキー型の伝導モデルが有効でなくなり、ショットキー型の伝導モデルから外れるようになる。
【００８３】
さらに、外部電界：Ｅについて、パーティクルによる誘電体厚みの減少、パーティクルによる電界集中を考慮して、
【００８４】
【数１４】
2004259892.tif 000016
【００８５】
とした。
具体的には、本発明のコンデンサのＢｒｅａｋ  Ｄｏｗｎ  Ｖｏｌｔａｇｅ（以下ＢＤＶと略す。）バラツキからＥ’を補正した。
【００８６】
図４に、ＢＤＶワイブルプロットを示す。
【００８７】
図４で、最もＢＤＶの高いＣモードは傾きも垂直に近く、真性破壊に近いモードだと思われる。これに対し、ＢＤＶの最も低いＡモードは傾きもゆるやかで誘電体層中の異物の影響が強いものと思われる。各モードの平均値を図４中に示してあるが、ＣモードとＡモードの差がパーティクルの影響で生じていると考えると、外部電界が１．３ＭＶ／ｃｍのときにパーティクルの寄与が２．２−１．３＝０．９［ＭＶ／ｃｍ］と見積もることができる。すなわち、印加した外部電界に加え、印加電界の０．９／１．３≒０．７（７０％）程度のパーティクルの寄与があると考えられる。
【００８８】
さらに、本発明のコンデンサは多結晶体であるため、バウンダリの電圧分担を補正する必要がある。
【００８９】
図５に示されるグレインとバウンダリの直列回路を考える。
ここで、
【００９０】
【数１５】
2004259892.tif 000017
【００９１】
【数１６】
2004259892.tif 000018
【００９２】
【数１７】
2004259892.tif 000019
【００９３】
であるから、電界はバウンダリに集中していることになる。
【００９４】
Ｊ−Ｅ特性は、ＥＢについてあらわす必要がある。
【００９５】
【数１８】
2004259892.tif 000020
【００９６】
なお、直流印加において電圧を容量分担させるのは一般的なセオリーから外れているように感ずるむきもあるかと思われる。しかしながら、後述のように、絶縁性の非常に高い場合には直流印加でも電圧を容量分担するのがリーズナブルである。
【００９７】
図５のような二層誘電体の電圧分担は、一般的には
・衝撃波や高周波電圧の場合の場合・・・容量分担
【００９８】
【数１９】
2004259892.tif 000021
【００９９】
・直流電圧における定常状態の場合・・・抵抗分担
【０１００】
【数２０】
2004259892.tif 000022
【０１０１】
になる。しかしながら、ＲＧ、ＲＢ共に高い場合には図５の等価回路は単なる容量の直列接続と考えたほうが自然であり、したがって、直流印加でも電圧は容量分担となる。
【０１０２】
（１８）式より次式が求められる。
【０１０３】
【数２１】
2004259892.tif 000023
【０１０４】
なお、ｅ＊としては、ｅをそのまま適用している。
【０１０５】
各種パラメータは図６から図９より求めた。
【０１０６】
バリアハイトの高さは、図６および図７に示すように、ｌｎ（Ｊ／Ｔ２）−Ｔ−１直線のスロープからわかる活性化エネルギーを電界ゼロの点に外装して求められる。
【０１０７】
局所電界：Ｅｌｏｃａｌ，ＶＯが図２の電界≒０近傍からあらわには効いてこない原因は、電子のトラップともなる酸素欠陥のトラップ深さが０．６７ｅＶと深いことによる。なお、トラップ深さは、図８、図９に示すようにショットキー型伝導モデルで表される領域よりも高電界側におけるＪ−Ｅ特性の電界強度依存性から求められる。
【０１０８】
通常、半導体で使用されるドナーのトラップ深さはｍｅＶ単位であり、室温（ｋＴ＝８．６１×１０−５［ｅＶ・Ｋ−１］×２９８Ｋ＝２５．７ｍｅＶで十分に励起され得るが、０．６７ｅＶのトラップからは高い電界をかけないと、局所電界の効果はあらわには見えてこない。
【０１０９】
以上の議論から、ｅ＊φＢ（≒０．８９ｅＶ）  ≒  βＳＥ（Ｅｌｏｃａｌ，ＶＯ）１／２となるためには、Ｅｌｏｃａｌ，ＶＯは８０．２ＭＶ／ｃｍでなければならないことがわかる。
〔比較例１〕
本例においては、コンデンサＡ’と同等物を作製し、特開２０００−２２８３３８にて提案されているスクリーニング方法、すなわち、直流定電流を印加して、電極間の電圧を昇圧させて電圧カーブが平坦特性になった時点から更に直流定電流を所定時間通電し、その通電時間内において電極間の電圧が急激に降下した物の選別をするスクリーニングを行った。具体的には、図１０に示す電流−電圧曲線より、ある素子においては、電圧カーブが平坦になりかけている（定電流には達していないが、定電流に達する前に、１０ｍＡの電流が流れた時点で絶縁破壊に至り、この場合、２．５Ｖ程度の低い電圧で絶縁抵抗を測定しても、ショートしたままであったため、０．１ｍＡに達する時点で妥協することにした。）４０Ｖまで昇圧し（図１０（ａ）参照）、この電圧を１００ｍｓｅｃ印加することにより、スクリーニングを行った。また、ある素子においては、電流値が０．１ｍＡにて滞留することなく、２０数ボルトで絶縁破壊に至るため（図１０（ｂ）参照）、こういったものについてはスクリーニングにより除去する意図をもって、電流値が０．１ｍＡの点を通過するまで昇圧しながら電圧を印加した。スクリーニングをして絶縁破壊したものを除いた後、高温負荷寿命試験を行った。これをコンデンサＢとする。
（実施例２）
本例においては、前記コンデンサＡ’と同等物を作製し、通電回数を６回（１秒間の印加回数をコンデンサＡ’より１回減らした。）としてスクリーニングした後、高温負荷寿命試験を行った。これをコンデンサＣとする。
【０１１０】
これらコンデンサＡ’、Ｂ、Ｃに関し、１４５℃／４Ｖでの高温負荷寿命試験を行った。その結果を図１１及び図１２に示す。
【０１１１】
この図から明らかなとおり、図１１（ａ）に示す本発明のスクリーニングを実施したコンデンサＡ’は絶縁抵抗の保証値下限を下回るものが一切ないのに対し、図１１（ｂ）に示す比較例であるコンデンサＢは絶縁抵抗の保証値下限を下回るものが出現している。
また、図１２に示すコンデンサＣでは、図１１（ａ）に比較して絶縁抵抗の保証値下限を下回るものが出現しないものの、その信頼はコンデンサＡ‘に比較して若干劣るものであった。
【０１１２】
本発明者は、コンデンサを高温負荷寿命試験に供した際に、絶縁抵抗の保証値下限に達したコンデンサに関して見積もられる劣化による局所電界と同等以上の局所電界を７回印加するスクリーニングを行った。
【０１１３】
その結果、高温負荷試験により絶縁抵抗の保証値下限を下回る素子を排除することができた。
【０１１４】
【発明の効果】
以上の通り、本発明のコンデンサのスクリーニングによれば、コンデンサを高温負荷寿命試験に供した際に、絶縁抵抗の保証値下限に達したコンデンサに関して見積もられる劣化による局所電界と同等以上の局所電界を印加するスクリーニングを行ったことで、高温負荷寿命試験により絶縁抵抗の保証値下限を下回る素子を排除することができ、長期信頼性が良好なコンデンサを容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】コンデンサの一例を示す概略断面図である。
【図２】図１に示すコンデンサの一例を示す平面図である。
【図３】コンデンサを高温負荷寿命試験に供した際に、絶縁抵抗の保証値下限に達したコンデンサに関して見積もられる劣化による局所電界を算出するためのコンデンサの高温負荷寿命試験前後での電流密度−電界強度特性を示す特性図である。
【図４】コンデンサの電流密度−電界強度特性の解析を行う上で使用した、パーティクルに関する電界強度補正のための特性図である。
【図５】コンデンサの電流密度−電界強度特性の解析を行う上で使用した、バウンダリの電圧分担に関する電界強度補正のための概念図である。
【図６】コンデンサの電流密度−電界強度特性の解析を行う上で使用した、ショットキー型伝導モデルにて表現される低電界領域での電流密度−温度特性の電界強度依存性を示した特性図である。
【図７】コンデンサの電流密度−電界強度特性の解析を行う上で使用した、バリアハイトを求めるための特性図である。
【図８】コンデンサの電流密度−電界強度特性の解析を行う上で使用した、プール・フレンケル型伝導モデルにて表現される高電界領域での電流密度−温度特性の電界強度依存性を示した特性図である。
【図９】コンデンサの電流密度−電界強度特性の解析を行う上で使用した、トラップ深さを求めるための特性図である。
【図１０】従来の方法によるスクリーニング条件を設定するための、電流−電圧曲線の例を示す特性図である。
【図１１】コンデンサの１４５℃、４Ｖにおける高温負荷寿命試験の結果を示す特性図である。縦軸は２．５Ｖにて測定した絶縁抵抗値、横軸は時間である。図１１（ａ）は本発明のスクリーニングを実施した場合の結果を、図１１（ｂ）は従来の方法でスクリーニングを実施した結果を示す特性図である。
【図１２】本発明のスクリーニング方法の電圧印加回数を６回としたスクリーニングを実施した結果を示す特性図である。
【符号の説明】
１：支持基板
２：下部電極層
３：誘電体層
４：上部電極層
５：保護層
６、７：外部端子
【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】
2004259892.tif 000029
【図７】
2004259892.tif 000030
【図８】
2004259892.tif 000031
【図９】
2004259892.tif 000032
【図１０】
2004259892.tif 000033
【図１１】
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【図１２】
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