(57)【要約】本発明は、小型で、かつ、大容量の誘電特性に優れた薄膜コンデンサおよびその製造方法を提供することを目的とするものである。本発明にかかる薄膜コンデンサは、表面が［００１］方位に配向している支持基板と、支持基板上に設けられ、表面が［００１］方位に配向しているバッファ層と、バッファ層上に設けられ、［００１］方位に配向している下部電極薄膜と、下部電極薄膜上に設けられ、［００１］方位に、すなわち、ｃ軸方向に配向されているビスマス層状化合物を含む誘電体薄膜と、誘電体薄膜上に設けられた上部電極薄膜とを備えている。
2004061881.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の電極構造体と、第二の電極構造体と、前記第一および第二の電極構造体間に設けられたビスマス層状化合物を含む誘電体薄膜とを備え、前記第一の電極構造体の前記誘電体薄膜と接する表面が［００１］方位に配向していることを特徴とする薄膜コンデンサ。
【請求項２】
前記ビスマス層状化合物が、化学量論的組成式：（Ｂｉ２Ｏ２）２＋（Ａｍ−１ＢｍＯ３ｍ＋１）２−、あるいは、Ｂｉ２Ａｍ−１ＢｍＯ３ｍ＋３で表わされる組成（記号ｍは正の整数であり、記号Ａは、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、鉛（Ｐｂ）、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）およびビスマス（Ｂｉ）からなる群より選ばれる少なくとも１つの元素であり、記号Ｂは、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、ガリウム（Ｇａ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、アンチモン（Ｓｂ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）およびタングステン（Ｗ）からなる群より選ばれる少なくとも１つの元素である。記号Ａおよび／またはＢを２つ以上の元素で構成する場合、それらの比率は任意である。）を有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項３】
前記記号ｍの値が偶数であることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項４】
前記第一の電極構造体が、表面が［００１］方位に配向している支持基板と、前記支持基板上に設けられ表面が［００１］方位に配向している電極薄膜とを含んでいることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項５】
前記支持基板がシリコン単結晶によって形成されたことを特徴とする請求の範囲第４項に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項６】
前記電極薄膜が、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）からなる群より選ばれた少なくとも一つの金属を含んでいることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項７】
前記電極薄膜が、ペロブスカイト構造を有する導電性酸化物を含んでいることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項８】
前記電極薄膜が、ＳｒＲｕＯ３、ＣａＲｕＯ３、ＳｒＶＯ３、ＳｒＣｒＯ３、ＳｒＣｏＯ３、ＬａＮｉＯ３、ＮｂドープＳｒＴｉＯ３からなる群より選ばれた少なくとも一つの導電性酸化物を含んでいることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項９】
前記電極薄膜が、超伝導性ビスマス層状構造を有する超伝導体を含んでいることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項１０】
前記電極薄膜が、Ｂｉ２Ｓｒ２ＣｕＯ６を含んでいることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項１１】
前記電極薄膜の表面が、前記第一の電極構造体の前記誘電体薄膜と接する表面を構成していることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項１２】
前記第一の電極構造体が、さらに、前記支持基板と前記電極薄膜との間に設けられ、表面が［００１］方位に配向しているバッファ層を含んでいることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項１３】
前記バッファ層が、ＺｒＯ２、ＲｅＯ２、ＲｅＯ２−ＺｒＯ２（Ｒｅはイットリウム（Ｙ）または希土類元素）、ＭｇＡｌＯ４、γ−Ａｌ２Ｏ３、ＳｒＴｉＯ３、ＬａＡｌＯ３からなる群より選ばれた少なくとも一つの酸化物を含んでいることを特徴とする請求の範囲第１２項に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項１４】
表面が［００１］方位に配向している複数の電極薄膜と、ビスマス層状化合物を含む複数の誘電体薄膜とを備え、前記電極薄膜および誘電体薄膜が交互に積層されていることを特徴とする薄膜コンデンサ。
【請求項１５】
偶数番目の前記電極薄膜が互いに短絡されており、奇数番目の前記電極薄膜が互いに短絡されていることを特徴とする請求の範囲第１４項に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項１６】
表面が［００１］方位に配向している第一の電極構造体を用意し、前記第一の電極構造体の前記表面に、ビスマス層状化合物を含む誘電体薄膜を形成し、前記誘電体薄膜上に第二の電極構造体を形成することを特徴とする薄膜コンデンサの製造方法。
【請求項１７】
表面が［００１］方位に配向している支持基板を用意し、前記支持基板の前記表面にバッファ層を形成し、前記バッファ層の前記表面に電極薄膜を形成することによって、前記第一の電極構造体を用意することを特徴とする請求の範囲第１６項に記載の薄膜コンデンサの製造方法。
【請求項１８】
エピタキシャル成長法によって、前記バッファ層を前記支持基板の前記表面に形成することを特徴とする請求の範囲第１７項に記載の薄膜コンデンサの製造方法。
【請求項１９】
エピタキシャル成長法によって、前記電極薄膜を前記バッファ層の前記表面に形成して、前記電極薄膜の表面を［００１］方位に配向させることを特徴とする請求の範囲第１８項に記載の薄膜コンデンサの製造方法。
【請求項２０】
前記電極薄膜の前記表面に誘電体薄膜を形成することによって、前記第一の電極構造体の前記表面に、ビスマス層状化合物を含む誘電体薄膜を形成することを特徴とする請求の範囲第１９項に記載の薄膜コンデンサの製造方法。
【請求項２１】
ＭＯＣＶＤ法によって、前記第一の電極構造体の前記表面に、ビスマス層状化合物を含む誘電体薄膜を形成することを特徴とする請求の範囲第１６項に記載の薄膜コンデンサの製造方法。
【請求項２２】
その表面が［００１］方位に配向している単結晶シリコンからなる支持基板を用意し、前記支持基板の前記表面に、バッファ層をエピタキシャル成長させ、前記バッファ層の前記表面に、下部電極薄膜をエピタキシャル成長させ、前記電極薄膜の前記表面に、ビスマス層状化合物を含む誘電体薄膜を形成し、前記誘電体薄膜上に、上部電極薄膜を形成することを特徴とする薄膜コンデンサの製造方法。
【請求項２３】
前記ビスマス層状化合物が、化学量論的組成式：（Ｂｉ２Ｏ２）２＋（Ａｍ−１ＢｍＯ３ｍ＋１）２−、あるいは、Ｂｉ２Ａｍ−１ＢｍＯ３ｍ＋３で表わされる組成（記号ｍは正の整数であり、記号Ａは、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、鉛（Ｐｂ）、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）およびビスマス（Ｂｉ）からなる群より選ばれる少なくとも１つの元素であり、記号Ｂは、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、ガリウム（Ｇａ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、アンチモン（Ｓｂ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）およびタングステン（Ｗ）からなる群より選ばれる少なくとも１つの元素である。記号Ａおよび／またはＢを２つ以上の元素で構成する場合、それらの比率は任意である。）を有することを特徴とする請求の範囲第２２項に記載の薄膜コンデンサの製造方法。
【請求項２４】
原料ガスとして、少なくともＣａ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ２）２（Ｃ８Ｈ２３Ｎ５）２、Ｂｉ（ＣＨ３）３およびＴｉ（Ｏ−ｉ−Ｃ３Ｈ７）４を用い、ＭＯＣＶＤ法によって、前記電極薄膜の前記表面に、ビスマス層状化合物を含む誘電体薄膜を形成することを特徴とする請求の範囲第２３項に記載の薄膜コンデンサの製造方法。
【請求項２５】
原料ガスとして、少なくともＳｒ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ２）２（Ｃ８Ｈ２３Ｎ５）２、Ｂｉ（ＣＨ３）３およびＴｉ（Ｏ−ｉ−Ｃ３Ｈ７）４を用い、ＭＯＣＶＤ法によって、前記電極薄膜の前記表面に、ビスマス層状化合物を含む誘電体薄膜を形成することを特徴とする請求の範囲第２３項に記載の薄膜コンデンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、薄膜コンデンサおよびその製造方法に関するものであり、さらに詳細には、小型で、かつ、大容量の誘電特性に優れた薄膜コンデンサおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】  近年、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）に代表されるＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）の動作周波数はますます向上している。動作周波数の高いＬＳＩは、非常に電源ノイズが発生しやすく、電源ノイズが発生すると、電源配線の寄生抵抗および寄生インダクタンスの影響によって、電圧降下が生じるため、ＬＳＩを誤動作させる原因となる。
電源ノイズに起因するこのような電圧降下を防止するため、一般に、ＬＳＩの電源端子間には、デカップリングコンデンサが接続される。ＬＳＩの電源端子間に、デカップリングコンデンサを接続すれば、電源配線のインピーダンスが低下するため、電源ノイズに起因する電圧降下を効果的に抑制することができる。
電源配線に要求されるインピーダンスは、ＬＳＩの動作電圧に比例するとともに、ＬＳＩの集積度、スイッチング電流および動作周波数に反比例する。したがって、集積度が高く、動作電圧が低く、動作周波数が高い近年のＬＳＩにおいては、電源配線に要求されるインピーダンスは非常に小さい。
このようなインピーダンスを達成するためには、デカップリングコンデンサを大容量化するとともに、ＬＳＩの電源端子とデカップリングコンデンサとを接続する配線のインダクタンスを十分に小さくする必要がある。
大容量のデカップリングコンデンサとしては、電解コンデンサや積層セラミックコンデンサが一般に用いられる。しかしながら、電解コンデンサや積層セラミックコンデンサは比較的サイズが大きいため、ＬＳＩとの一体化が困難である。したがって、ＬＳＩとは別個に、回路基板に実装する必要が生じ、ＬＳＩの電源端子とデカップリングコンデンサとを接続する配線が必然的に長くなってしまう。その結果、デカップリングコンデンサとして、電解コンデンサや積層セラミックコンデンサを用いた場合には、ＬＳＩの電源端子とデカップリングコンデンサとを接続する配線のインダクタンスを小さくすることが困難であるという問題があった。
ＬＳＩの電源端子とデカップリングコンデンサとを接続する配線をより短くするためには、電解コンデンサや積層セラミックコンデンサよりも小型な薄膜コンデンサを用いることが好適である。
日本国公開特許公報第２００１−１５３８２号は、誘電体の材料として、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）、Ｔａ２Ｏ５などを用いた小型で、容量の大きい薄膜コンデンサを開示している。
しかしながら、これらの材料によって、形成された薄膜コンデンサは、温度特性が劣るという欠点を有している。たとえば、ＢＳＴの誘電率は、−１０００〜−４０００ｐｐｍ／℃の温度依存性を有しているため、誘電体の材料として、ＢＳＴを用いた場合には、８０℃での静電容量が、２０℃での静電容量と比べて、−６〜−２４％も変化する。したがって、ＢＳＴを用いて、形成された薄膜コンデンサは、電力消費に伴う発熱によって、周囲の温度がしばしば８０℃以上に達することがある動作周波数の高いＬＳＩ用のデカップリングコンデンサとしては、適当ではない。
さらに、これらの材料によって、形成された誘電体薄膜は、その厚みが薄くなると、誘電率が低下するだけでなく、たとえば、１００ｋＶ／ｃｍの電界を加えた場合に、静電容量が大きく低下するという問題があり、これらの材料を、薄膜コンデンサの誘電体材料として、用いた場合には、小型で、かつ、大容量の薄膜コンデンサを得ることは困難である。
加えて、これらの材料によって、形成された誘電体薄膜は、表面平滑性が低いため、その厚みを薄くすると、絶縁不良などが生じやすくなるという問題もある。
このような問題を解決するためには、薄膜コンデンサの誘電体として、ビスマス層状化合物を用いることが考えられる。ビスマス層状化合物については、竹中正著「ビスマス層状構造強誘電体セラミックスの粒子配向とその圧電・焦電材料への応用」、京都大学工学博士論文（１９８４）の第３章の第２３〜３６頁に記載されている。
ビスマス層状化合物は結晶構造に異方性を有しており、基本的に、強誘電体としての性質を示すが、ある配向軸方向については、強誘電体としての性質が小さく、常誘電体としての性質を示すことが知られている。
ビスマス層状化合物が持つ強誘電体としての性質は、ビスマス層状化合物を、薄膜コンデンサの誘電体として利用する場合には、誘電率の変動をもたらすため、好ましくなく、ビスマス層状化合物の常誘電体としての性質が十分に発揮されることが好ましい。
よって、ビスマス層状化合物の強誘電体としての性質が小さく、常誘電体としての性質を示す配向軸方向に、ビスマス層状化合物が配向された誘電体層を備え、小型で、かつ、大容量の誘電特性に優れた薄膜コンデンサの開発が望まれている。
【発明の開示】
したがって、本発明は、小型で、かつ、大容量の誘電特性に優れた薄膜コンデンサおよびその製造方法を提供することを目的とするものである。
本発明のかかる目的は、第一の電極構造体と、第二の電極構造体と、前記第一の電極構造体および第二の電極構造体の間に設けられたビスマス層状化合物を含む誘電体薄膜とを備え、前記第一の電極構造体の前記誘電体薄膜と接する表面が［００１］方位に配向していることを特徴とする薄膜コンデンサによって達成される。
ここに、［００１］方位とは、立方晶、正方晶、単斜晶および斜方晶における［００１］方位のことをいう。
本発明によれば、第一の電極構造体の誘電体薄膜と接する表面が［００１］方位に配向しているから、誘電体薄膜に含まれたビスマス層状化合物の［００１］方位への配向性、すなわちｃ軸配向性を高めることができ、ビスマス層状化合物のｃ軸を、第一の電極構造体および第二の電極構造体に対して、垂直に配向させることが可能になる。
したがって、第一の電極構造体と第二の電極構造体との間に電圧を印加した場合に、電界の方向がビスマス層状化合物のｃ軸とほぼ一致するから、ビスマス層状化合物の強誘電体としての性質を抑制し、常誘電体としての性質を十分に発揮させることが可能になる。
さらに、ｃ軸配向性が向上されたビスマス層状化合物を含む誘電体薄膜は高い絶縁性を有しているから、誘電体層を薄膜化することができ、したがって、薄膜コンデンサを、より一層小型化することが可能になる。
したがって、薄膜コンデンサを大容量化するとともに、小型化することが可能になるから、デカップリングコンデンサ、とくに、動作周波数の高いＬＳＩ用のデカップリングコンデンサに適した薄膜コンデンサを得ることが可能になる。
本発明にかかる薄膜コンデンサは、表面が［００１］方位に配向している第一の電極構造体を用意し、前記第一の電極構造体の前記表面に、ビスマス層状化合物を含む誘電体薄膜を形成し、前記誘電体薄膜上に第二の電極構造体を形成することことによって、製造される。
本発明の好ましい実施態様においては、第一の電極構造体は、薄膜コンデンサの下部電極を構成する電極薄膜を備え、電極薄膜の誘電体薄膜側の表面が［００１］方位に配向している。
電極薄膜の誘電体薄膜側の表面のすべてが、［００１］方位に配向していることは必ずしも必要でなく、第一の電極構造体の電極薄膜の誘電体薄膜側の表面のうち、誘電体薄膜と接する部分が実質的に［００１］方位に配向していればよい。
第一の電極構造体は、電極薄膜のみから構成されていてもよいが、好ましくは、支持基板と、支持基板上に設けられ、表面が［００１］方位に配向している電極薄膜とを含んでいる。
支持基板を形成するための材料はとくに限定されるものではなく、シリコン単結晶、ＳｉＧｅ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＩｎＰ単結晶、ＳｒＴｉＯ３単結晶、ＭｇＯ単結晶、ＬａＡｌＯ３単結晶、ＺｒＯ２単結晶、ＭｇＡｌ２Ｏ４単結晶、ＮｄＧａＯ３単結晶、ＮｄＡｌＯ３単結晶、ＬａＧａＯ３単結晶などによって、支持基板を形成することができる。これらの中では、低コストのため、シリコン単結晶が最も好ましい。
支持基板の厚さは、薄膜コンデンサ全体の機械的強度を確保することができれば、とくに限定されるものではなく、たとえば、１０ないし１０００μｍ程度に設定される。
本発明において、好ましくは、支持基板の表面が［００１］方位に配向している。
本発明において、好ましくは、薄膜コンデンサは、支持基板上に、表面が［００１］方位に配向しているバッファ層を有している。
バッファ層は、支持基板と第一の電極構造体の電極薄膜との反応を防ぐバリア層としての役割を果たすとともに、電極薄膜の表面を［００１］方位に配向させるための下地としての役割を果たす。
バッファ層を形成するための材料は、その表面が［００１］方位に配向している支持基板上に形成されたときに、その表面が［００１］方位に配向するものであれば、とくに限定されるものではなく、ＺｒＯ２、ＲｅＯ２、ＲｅＯ２−ＺｒＯ２（Ｒｅはイットリウム（Ｙ）または希土類元素）、ＭｇＡｌＯ４、γ−Ａｌ２Ｏ３、ＳｒＴｉＯ３、ＬａＡｌＯ３などによって、バッファ層を形成することができる。
具体的には、これらの中から、支持基板との格子整合性に優れ、熱膨張係数が、支持基板と誘電体薄膜の間にある材料を選択して、バッファ層を形成することが好ましい。
バッファ層は単層構造であっても、多層構造であってもよい。
バッファ層の厚さは、支持基板と第一の電極構造体の電極薄膜との反応を防ぐバリア層としての機能を確保することができれば、とくに限定されず、たとえば、１ないし１０００ｎｍ程度に設定される。
バッファ層を設ける場合には、バッファ層上に、電極薄膜が形成される。バッファ層を設けることなく、支持基板の表面に、電極薄膜を形成することもできる。
第一の電極構造体の電極薄膜は、薄膜コンデンサの一方の電極として、機能するとともに、誘電体薄膜に含まれているビスマス層状化合物を、［００１］方位に、すなわち、ｃ軸方向に配向させるための下地として、機能する。
したがって、第一の電極構造体の電極薄膜の表面は、［００１］方位に配向していることが必要である。
第一の電極構造体の電極薄膜を形成するための材料は、その表面が［００１］方位に配向している支持基板あるいはバッファ層上に形成されたときに、その表面が［００１］方位に配向するものであれば、とくに限定されるものではなく、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属およびこれらの金属のうち、少なくとも一種の金属を主成分として含む合金、ＳｒＲｕＯ３、ＣａＲｕＯ３、ＳｒＶＯ３、ＳｒＣｒＯ３、ＳｒＣｏＯ３、ＬａＮｉＯ３、ＮｂドープＳｒＴｉＯ３などのペロブスカイト構造を有する導電性酸化物およびこれらの混合物、Ｂｉ２Ｓｒ２ＣｕＯ６などの超伝導性ビスマス層状構造を有する超伝導体などによって、第一の電極構造体の電極薄膜を形成することができる。
具体的には、これらの材料の中から、支持基板あるいはバッファ層との格子整合性に優れた材料を選択して、第一の電極構造体の電極薄膜を形成することが好ましい。
第一の電極構造体の電極薄膜の厚さは、薄膜コンデンサの一方の電極として、機能することができれば、とくに限定されるものではなく、たとえば、１０ない１０００ｎｍ程度に設定される。
本発明において、誘電体薄膜は、ビスマス層状化合物を含んでいる。
本発明において、ビスマス層状化合物を含む誘電体薄膜は、不可避的な不純物を含んでいてもよい。
本発明において、好ましくは、ビスマス層状化合物は、化学量論的組成式：（Ｂｉ２Ｏ２）２＋（Ａｍ−１ＢｍＯ３ｍ＋１）２−、あるいは、Ｂｉ２Ａｍ−１ＢｍＯ３ｍ＋３で表わされる組成を有している。ここに、化学量論的組成式中の記号ｍは正の整数であり、記号Ａは、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、鉛（Ｐｂ）、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）およびビスマス（Ｂｉ）からなる群より選ばれる少なくとも１つの元素であり、記号Ｂは、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、ガリウム（Ｇａ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、アンチモン（Ｓｂ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）およびタングステン（Ｗ）からなる群より選ばれる少なくとも１つの元素である。記号Ａおよび／またはＢを２つ以上の元素で構成する場合、それらの比率は任意である。
第１図に示されるように、ビスマス層状化合物は、それぞれが、ＡＢＯ３１ａで構成される（ｍ−１）個のペロブスカイト格子が連なった層状ペロブスカイト層１と、（Ｂｉ２Ｏ２）２＋層２とが、交互に積層された層状構造を有している。
層状ペロブスカイト層１と（Ｂｉ２Ｏ２）２＋層２の積層数は、とくに限定されるものではなく、少なくとも一対の（Ｂｉ２Ｏ２）２＋層２と、これらに挟まれた一つの層状ペロブスカイト層１を備えていれば十分である。
本発明において、誘電体薄膜に含まれるビスマス層状化合物は、［００１］方位、すなわち、ビスマス層状化合物のｃ軸方向に配向されている。
ビスマス層状化合物のｃ軸とは、一対の（Ｂｉ２Ｏ２）２＋層２同士を結ぶ方向、すなわち、［００１］方位を意味する。
本発明においては、薄膜コンデンサの誘電体膜に含まれたビスマス層状化合物は、［００１］方位、すなわち、ｃ軸方向に配向されており、第一の電極構造体および第二の電極構造体に対して、実質的に垂直に配向している。したがって、第一の電極構造体および第二の電極構造体に電圧を印加した場合に、電界の方向が、誘電体薄膜に含まれるビスマス層状化合物のｃ軸とほぼ一致し、したがって、誘電体薄膜に含まれるビスマス層状化合物の強誘電体としての性質を抑制して、常誘電体としての性質を十分に発揮させることが可能になる。
本発明において、好ましくは、これらのビスマス層状化合物のうち、コンデンサ材料としての特性に優れたビスマス層状化合物が、誘電体薄膜を形成するために用いられる。
本発明において、誘電体薄膜を形成するために用いられるビスマス層状化合物は、とくに限定されるものではないが、コンデンサ材料としての特性に優れたビスマス層状化合物が、誘電体薄膜を形成するために用いられ、上述の化学量論的組成式において、ｍが偶数のビスマス層状化合物、とくに、ｍ＝４の化学量論的組成式：（Ｂｉ２Ｏ２）２＋（Ａ３Ｂ４Ｏ１３）２−、あるいは、Ｂｉ２Ａ３Ｂ４Ｏ１５で表わされるビスマス層状化合物がコンデンサ材料としての特性に優れ、好ましく使用される。
本発明において、誘電体薄膜に含まれているビスマス層状化合物の［００１］方位の配向度、すなわち、ｃ軸配向度Ｆが１００％であることは必ずしも必要でなく、ｃ軸配向度Ｆが８０％以上であればよい。ｃ軸配向度Ｆが９０％であることが好ましく、ｃ軸配向度Ｆが９５％以上であると、より好ましい。
ビスマス層状化合物のｃ軸配向度Ｆは、次式（１）によって定義される。
Ｆ（％）＝（Ｐ−Ｐ０）／（１−Ｐ０）×１００  …（１）
式（１）において、Ｐ０は、完全にランダムな配向をしているビスマス層状化合物のｃ軸配向比、すなわち、完全にランダムな配向をしているビスマス層状化合物の（００１）面からの反射強度Ｉ０（００１）の合計ΣＩ０（００１）と、そのビスマス層状化合物の各結晶面（ｈｋｌ）からの反射強度Ｉ０（ｈｋｌ）の合計ΣＩ０（ｈｋｌ）との比（｛ΣＩ０（００１）／ΣＩ０（ｈｋｌ）｝）であり、Ｐは、Ｘ線回折強度を用いて算出されたビスマス層状化合物のｃ軸配向比、すなわち、ビスマス層状化合物の（００１）面からの反射強度Ｉ（００１）の合計ΣＩ（００１）と、ビスマス層状化合物の各結晶面（ｈｋｌ）からの反射強度Ｉ（ｈｋｌ）の合計ΣＩ（ｈｋｌ）との比（｛ΣＩ（００１）／ΣＩ（ｈｋｌ）｝）である。ここに、ｈ、ｋ、ｌは、それぞれ、０以上の任意の整数値を取ることができる。
ここに、Ｐ０は既知の定数であるから、（００１）面からの反射強度Ｉ（００１）の合計ΣＩ（００１）と、各結晶面（ｈｋｌ）からの反射強度Ｉ（ｈｋｌ）の合計ΣＩ（ｈｋｌ）が等しいとき、すなわち、Ｐ＝１のときに、ビスマス層状化合物のｃ軸配向度Ｆは１００％となる。
このように、ビスマス層状化合物を、［００１］方位に、すなわち、ｃ軸方向に配向させることによって、誘電体薄膜の誘電特性を大幅に向上させることが可能になる。
すなわち、本発明にかかる薄膜コンデンサの誘電体層の膜厚を、たとえば、１００ｎｍ以下にしても、比較的高い誘電率と低い損失（ｔａｎδ）を有する薄膜コンデンサを得ることができ、リーク特性に優れ、耐圧が向上し、誘電率の温度特性に優れ、表面平滑性にも優れた薄膜コンデンサを得ることが可能になる。
本発明において、とくに好ましくは、誘電体薄膜に含まれるビスマス層状化合物が、化学量論的組成式：ＣａｘＳｒ（１−ｘ）Ｂｉ４Ｔｉ４Ｏ１５で表わされる組成を有している。ここに、０≦ｘ≦１である。このような組成を有するビスマス層状化合物を用いると、比較的大きな誘電率を有する誘電体薄膜が得られるとともに、その温度特性がさらに向上する。
本発明において、誘電体薄膜に含まれるビスマス層状化合物の化学量論的組成式中の記号ＡまたはＢで表わされる元素の一部が、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）およびルテチウム（Ｌｕ）からなる群より選ばれる少なくとも１つの元素Ｒｅ（イットリウム（Ｙ）または希土類元素）によって置換されていることが好ましい。
元素Ｒｅによって、置換する場合には、好ましい置換量は、ｍの値により異なるが、たとえば、ｍ＝３のときは、化学量論的組成式：Ｂｉ２Ａ２−ｘＲｅｘＢ３Ｏ１２において、好ましくは、０．４≦ｘ≦１．８であり、より好ましくは、１．０≦ｘ≦１．４である。元素Ｒｅによる置換量をこの範囲に設定すれば、誘電体薄膜のキュリー温度（強誘電体から常誘電体への相転移温度）を、好ましくは、−１００℃以上、１００℃以下、より好ましくは、−５０℃以上、５０℃以下に収めることが可能となる。キュリー点が−１００℃ないし＋１００℃であると、誘電体薄膜の誘電率が向上する。キュリー温度は、ＤＳＣ（示差走査熱量測定）などによって測定することができる。なお、キュリー点が室温（２５℃）未満になると、ｔａｎδがさらに減少し、その結果、損失Ｑ値がさらに上昇する。
また、ｍ＝４の場合には、化学量論的組成式：Ｂｉ２Ａ３−ｘＲｅｘＢ４Ｏ１５において、好ましくは、０．０１≦ｘ≦２．０であり、より好ましくは、０．１≦ｘ≦１．０である。
本発明にかかる薄膜コンデンサの誘電体薄膜は、優れたリーク特性を有しているが、ビスマス層状化合物の化学量論的組成式中の記号ＡまたはＢで表わされる元素の一部が、元素Ｒｅによって、置換されている場合には、誘電体薄膜のリーク特性を一層向上させることができ、好ましい。
たとえば、ビスマス層状化合物の化学量論的組成式中の記号ＡまたはＢで表わされる元素の一部が、元素Ｒｅによって、置換されていない場合においても、本発明にかかる薄膜コンデンサの誘電体薄膜は、電界強度５０ｋＶ／ｃｍで測定したときのリーク電流を、好ましくは、１×１０−７Ａ／ｃｍ２以下、より好ましくは、５×１０−８Ａ／ｃｍ２以下に抑制することができ、しかも、ショート率を、好ましくは、１０％以下、より好ましくは、５％以下にすることができるが、ビスマス層状化合物の化学量論的組成式中の記号ＡまたはＢで表わされる元素の一部が、元素Ｒｅによって、置換されている場合には、同条件で測定したときのリーク電流を、好ましくは、５×１０−８Ａ／ｃｍ２以下、より好ましくは、１×１０−８Ａ／ｃｍ２以下にすることができ、ショート率を、好ましくは、５％以下、より好ましくは、３％以下にすることができる。
本発明において、誘電体薄膜は、真空蒸着法、スパッタリング法、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ）、有機金属化学気相成長法（ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）、有機金属分解法（ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ  ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＤ）やゾル・ゲル法などの液相法（ＣＳＤ法）などの各種薄膜形成法を用いて、形成することができる。とくに低温で、誘電体薄膜を形成する必要がある場合には、プラズマＣＶＤ、光ＣＶＤ、レーザーＣＶＤ、光ＣＳＤ、レーザーＣＳＤ法を用いることが好ましい。
本発明においては、第一の電極構造体の誘電体薄膜と接する表面が［００１］方位に配向しているから、ビスマス層状化合物を含む誘電体薄膜を、第一の電極構造体の表面に形成すれば、ビスマス層状化合物は熱力学的に最も安定な方向に配向し、［００１］方位に、すなわち、ｃ軸方向に配向する。
本発明において、薄膜コンデンサは、誘電体薄膜上に、薄膜コンデンサの他方の電極として機能する第二の電極構造体を備えている。
第二の電極構造体を形成するための材料は、導電性を有していれば、とくに限定されるものではなく、第一の電極構造体の電極薄膜と同様な材料によって、第二の電極構造体を形成することができる。
さらに、第二の電極構造体については、格子整合性を考慮する必要はなく、また、室温で形成することができるから、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）などの卑金属や、ＷＳｉ、ＭｏＳｉなどの合金を用いて、第二の電極構造体を形成することもできる。
第二の電極構造体の厚さは、薄膜コンデンサの他方の電極として機能することができれば、とくに限定されるものではなく、たとえば、１０ないし１００００ｎｍ程度に設定することができる。
本発明の前記目的はまた、それぞれの表面が［００１］方位に配向している複数の電極薄膜と、ビスマス層状化合物を含む複数の誘電体薄膜とを備え、前記電極薄膜および誘電体薄膜が交互に積層されていることを特徴とする薄膜コンデンサによって達成される。
本発明の好ましい実施態様においては、前記複数の電極薄膜のうち、偶数番目の電極薄膜が互いに短絡されており、奇数番目の電極薄膜が互いに短絡されている。
本発明の前記目的はまた、表面が［００１］方位に配向している第一の電極構造体を用意し、前記第一の電極構造体の前記表面に、ビスマス層状化合物を含む誘電体薄膜を形成し、前記誘電体薄膜上に第二の電極構造体を形成することを特徴とする薄膜コンデンサの製造方法によって達成される。
本発明の好ましい実施態様においては、表面が［００１］方位に配向している支持基板を用意し、前記支持基板の前記表面にバッファ層を形成し、前記バッファ層の前記表面に電極薄膜を形成することによって、前記第一の電極構造体を用意するように構成されている。
本発明のさらに好ましい実施態様においては、エピタキシャル成長法によって、前記バッファ層を前記支持基板の前記表面に形成するように構成されている。
本発明のさらに好ましい実施態様においては、エピタキシャル成長法によって、前記電極薄膜を前記バッファ層の前記表面に形成して、前記電極薄膜の表面を［００１］方位に配向させるように構成されている。
本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記電極薄膜の前記表面に誘電体薄膜を形成することによって、前記第一の電極構造体の前記表面に、ビスマス層状化合物を含む誘電体薄膜を形成するように構成されている。
本発明の好ましい実施態様においては、ＭＯＣＶＤ法によって、前記第一の電極構造体の前記表面に、ビスマス層状化合物を含む誘電体薄膜を形成するように構成されている。
本発明の前記目的はまた、その表面が［００１］方位に配向している単結晶シリコンからなる支持基板を用意し、前記支持基板の前記表面に、バッファ層をエピタキシャル成長させ、前記バッファ層の前記表面に、下部電極薄膜をエピタキシャル成長させ、前記電極薄膜の前記表面に、ビスマス層状化合物を含む誘電体薄膜を形成し、前記誘電体薄膜上に、上部電極薄膜を形成することを特徴とする薄膜コンデンサの製造方法によって達成される。
本発明のさらに好ましい実施態様においては、原料ガスとして、少なくともＣａ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ２）２（Ｃ８Ｈ２３Ｎ５）２、Ｂｉ（ＣＨ３）３およびＴｉ（Ｏ−ｉ−Ｃ３Ｈ７）４を用い、ＭＯＣＶＤ法によって、前記電極薄膜の前記表面に、ビスマス層状化合物を含む誘電体薄膜を形成するように構成されている。
本発明の別の好ましい実施態様においては、原料ガスとして、少なくともＳｒ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ２）２（Ｃ８Ｈ２３Ｎ５）２、Ｂｉ（ＣＨ３）３およびＴｉ（Ｏ−ｉ−Ｃ３Ｈ７）４を用い、ＭＯＣＶＤ法によって、前記電極薄膜の前記表面に、ビスマス層状化合物を含む誘電体薄膜を形成するように構成されている。
本発明の前記およびその他の目的および特徴は、図面を引用した以下の説明によって、明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】  第１図は、ビスマス層状化合物の構造を模式的に示す図である。
第２図は、本発明の好ましい実施態様にかかる薄膜コンデンサの略断面図である。
第３図は、本発明の好ましい実施態様にかかる薄膜コンデンサをデカップリングコンデンサとして用いた場合の配置例を示す略断面図である。
第４図は、本発明の他の好ましい実施態様にかかる薄膜コンデンサの略断面図である。
発明の好ましい実施態様の説明
以下、添付図面に基づき、本発明の好ましい実施態様につき、詳細に説明を加える。
第２図は、本発明の好ましい実施態様にかかる薄膜コンデンサの略断面図である。
第２図に示されるように、本実施態様にかかる薄膜コンデンサ２０は、下部電極構造体２２と、上部電極薄膜２４と、下部電極構造体２２および上部電極薄膜２４の間に設けられた誘電体薄膜２６とを備えている。
下部電極構造体２２は、その表面３０ａが［００１］方位に配向している支持基板３０と、支持基板３０の表面３０ａ上に設けられたバッファ層３２と、バッファ層３２の表面３２ａ上に設けられた下部電極薄膜３４を備えており、下部電極薄膜３４の表面３４ａは、誘電体薄膜２６と接している。
支持基板３０は、薄膜コンデンサ２０全体の機械的強度を確保する機能を有するとともに、バッファ層３２の表面３２ａを［００１］方位に配向させるための下地として、機能する。
支持基板３０は、たとえば、シリコン単結晶によって、約１０ないし１０００μｍの厚さを有するように、形成されている。
バッファ層３２は、支持基板３０と下部電極薄膜３４との反応を防ぐバリア層としての役割を果たすとともに、下部電極薄膜３４の表面を［００１］方位に配向させるための下地としての役割を果たしている。
バッファ層３２は、たとえば、ＺｒＯ２、ＲｅＯ２、ＲｅＯ２−ＺｒＯ２（Ｒｅはイットリウム（Ｙ）または希土類元素）、ＭｇＡｌＯ４、γ−Ａｌ２Ｏ３、ＳｒＴｉＯ３、ＬａＡｌＯ３などによって、形成されている。
好ましくは、これらの中から、支持基板３０との格子整合性に優れ、熱膨張係数が、支持基板と誘電体薄膜２６の間にある材料を選択して、バッファ層３２が形成される。
バッファ層３２は、たとえば、約１ないし１０００ｎｍの厚さを有している。
下部電極薄膜３４は、薄膜コンデンサ２０の一方の電極として、機能するとともに、誘電体薄膜２６に含まれているビスマス層状化合物を、［００１］方位に、すなわち、ｃ軸方向に配向させるための下地として機能する。
したがって、下部電極薄膜３４の表面は、［００１］方位に配向していることが必要である。
下部電極薄膜３４は、たとえば、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属およびこれらの金属のうち、少なくとも一種の金属を主成分として含む合金、ＳｒＲｕＯ３、ＣａＲｕＯ３、ＳｒＶＯ３、ＳｒＣｒＯ３、ＳｒＣｏＯ３、ＬａＮｉＯ３、ＮｂドープＳｒＴｉＯ３などのペロブスカイト構造を有する導電性酸化物およびこれらの混合物、Ｂｉ２Ｓｒ２ＣｕＯ６などの超伝導性ビスマス層状構造を有する超伝導体などによって、形成されている。
好ましくは、これらの中から、バッファ層３２との格子整合性に優れた材料を選択して、下部電極薄膜３４が形成される。
したがって、バッファ層３２は、支持基板３０および下部電極薄膜３４との格子整合性に優れた材料によって形成されることが必要である。たとえば、支持基板３０を、シリコン単結晶によって形成し、下部電極薄膜３４を、白金（Ｐｔ）によって形成する場合には、バッファ層３２は、シリコン単結晶および白金（Ｐｔ）との格子整合性に優れたＺｒＯ２、ＲｅＯ２、ＲｅＯ２−ＺｒＯ２（Ｒｅはイットリウム（Ｙ）または希土類元素）、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４などによって形成されることが好ましい。
下部電極薄膜３４は、たとえば、約１０ない１０００ｎｍの厚さを有している。
誘電体薄膜２６は、ビスマス層状化合物を含む誘電体材料によって形成される。
ビスマス層状化合物は、化学量論的組成式：（Ｂｉ２Ｏ２）２＋（Ａｍ−１ＢｍＯ３ｍ＋１）２−、あるいは、Ｂｉ２Ａｍ−１ＢｍＯ３ｍ＋３で表わされる組成を有している。ここに、化学量論的組成式中の記号ｍは正の整数であり、記号Ａは、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、鉛（Ｐｂ）、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）およびビスマス（Ｂｉ）からなる群より選ばれる少なくとも１つの元素であり、記号Ｂは、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、ガリウム（Ｇａ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、アンチモン（Ｓｂ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）およびタングステン（Ｗ）からなる群より選ばれる少なくとも１つの元素である。記号Ａおよび／またはＢを２つ以上の元素で構成する場合、それらの比率は任意である。
誘電体薄膜２６の厚さは、上述した化学量論的組成式中のｍの数および第１図に示される層状ペロブスカイト層１と（Ｂｉ２Ｏ２）２＋層２の積層数によって決定される。たとえば、ｍ＝４の場合には、ビスマス層状化合のｃ軸方向の格子定数は約４ｎｍである（各格子は、２層の層状ペロブスカイト層１と２層の（Ｂｉ２Ｏ２）２＋層２を含んでいる）から、格子数が５０である場合には、誘電体薄膜２６の厚さは、約２００ｎｍになる。
誘電体薄膜２６に含まれているビスマス層状化合物は、［００１］方位に、すなわち、ｃ軸方向に配向されている。
本実施態様にかかる薄膜コンデンサ２０は、誘電体薄膜２６上に、薄膜コンデンサ２０の他方の電極として機能する上部電極薄膜２４を備えている。
上部電極薄膜２４は、下部電極薄膜３４と同様の材料によって形成することができるが、格子整合性を考慮する必要はなく、また、室温で形成することができるから、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）などの卑金属や、ＷＳｉ、ＭｏＳｉなどの合金を用いて、上部電極薄膜２４を形成することもできる。
上部電極薄膜２４は、たとえば、約１０ないし１００００ｎｍの厚さを有するように、形成される。
以上のように構成された薄膜コンデンサは、以下のようにして、作製される。
まず、表面３０ａが［００１］方位に配向している支持基板３０の表面上に、バッファ層３２が、エピタキシャル成長法によって形成される。
バッファ層３２の形成方法は、バッファ層３２をエピタキシャル成長させることができれば、とくに限定されるものではなく、真空蒸着法、スパッタリング法、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ）、化学気相成長法（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）、液相法（ＣＳＤ）などの各種薄膜形成法を用いて、バッファ層３２を形成することができる。
このように、エピタキシャル成長法によって形成されたバッファ層３２の表面３２ａは、支持基板３０の表面３０ａと同様に、［００１］方位に配向される。
次いで、バッファ層３２の表面上に、下部電極薄膜３４が、エピタキシャル成長される。
下部電極薄膜３４の形成方法は、下部電極薄膜３４をエピタキシャル成長させることができれば、とくに限定されるものではない。
その結果、下部電極薄膜３４のの表面３４ａは、バッファ層３２の表面３２ａと同様に、［００１］方位に配向される。
さらに、下部電極薄膜３４の表面３４ａ上に、ビスマス層状化合物を含む誘電体薄膜２６が形成される。
誘電体薄膜２６の形成方法は、とくに限定されるものではなく、真空蒸着法、スパッタリング法、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ）、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、液相法（ＣＳＤ法）などの各種薄膜形成法を用いて、誘電体薄膜２６を形成することができる。
たとえば、Ｃａ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ２）２（Ｃ８Ｈ２３Ｎ５）２、Ｂｉ（ＣＨ３）３およびＴｉ（Ｏ−ｉ−Ｃ３Ｈ７）４を原料ガスとして用い、ＭＯＣＶＤ法によって、下部電極薄膜３４の表面３４ａ上に、ビスマス層状化合物を堆積させれば、化学式：ＣａＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５で表わされる組成を有する誘電体薄膜２６、すなわち、化学量論的組成式：Ｂｉ２Ａｍ−１ＢｍＯ３ｍ＋３において、記号ｍを４で置き換え、記号Ａ３をＣａ＋Ｂｉ２で、記号Ｂ４をＴｉ４によって置き換えた組成を有する誘電体薄膜２６が形成される。
一方、Ｓｒ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ２）２（Ｃ８Ｈ２３Ｎ５）２、Ｂｉ（ＣＨ３）３およびＴｉ（Ｏ−ｉ−Ｃ３Ｈ７）４を原料ガスとして用い、ＭＯＣＶＤ法によって、下部電極薄膜３４の表面３４ａ上に、ビスマス層状化合物を堆積させれば、化学式：ＳｒＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５で表わされる組成を有する誘電体薄膜２６、すなわち、化学量論的組成式：Ｂｉ２Ａｍ−１ＢｍＯ３ｍ＋３において、記号ｍを４で置き換え、記号Ａ３をＳｒ＋Ｂｉ２で、記号Ｂ４をＴｉ４によって置き換えた組成を有する誘電体薄膜２６が形成される。
このように、［００１］方位に配向している下部電極薄膜３４の表面３４ａ上に、ビスマス層状化合物を含む誘電体薄膜２６が形成されると、ビスマス層状化合物は熱力学的に最も安定な方向に配向し、［００１］方位に、すなわち、ｃ軸方向に配向する。
次いで、誘電体薄膜２６の表面上に、上部電極薄膜２４が形成される。
上部電極薄膜２４の形成方法は、とくに限定されるものではないが、成膜速度の面から、スパッタリング法によって、上部電極薄膜２４を形成することが好ましい。
こうして、薄膜コンデンサ２０が作製される。
本実施態様によれば、表面３０ａが［００１］方位に配向している支持基板３０の表面３０ａ上に、バッファ層３２を、エピタキシャル成長させて、表面３２ａが［００１］方位に配向しているバッファ層３２を形成し、さらに、バッファ層３２の表面３２ａ上に、下部電極薄膜３４をエピタキシャル成長させて、表面３４ａが［００１］方位に配向している下部電極薄膜３４を形成し、下部電極薄膜３４の表面３４ａ上に、ビスマス層状化合物を含む誘電体薄膜２６を形成しているから、誘電体薄膜２６に含まれているビスマス層状化合物を、所望のように、［００１］方位に、すなわち、ｃ軸方向に配向することが可能になる。したがって、下部電極薄膜３４と上部電極薄膜２４との間に電圧を印加したときに、電界の方向がビスマス層状化合物のｃ軸とほぼ一致するから、ビスマス層状化合物の強誘電体としての性質を抑制し、常誘電体としての性質を十分に発揮させることが可能になる。
かかる構成を有する薄膜コンデンサ２０は、誘電体薄膜６の膜厚を薄くし、たとえば、約１ないし１００ｎｍの厚さを有するように形成しても、各種特性に優れているから、薄膜コンデンサ２０を、小型化し、同時に、大容量化することが可能になる。
したがって、たとえば、薄膜コンデンサ２０を、ＬＳＩのデカップリングコンデンサとして利用する場合、第３図に示されるように、薄膜コンデンサ２０を、ＬＳＩ１２とプリント基板１４との間に配置することができ、ＬＳＩ１２の電源端子とデカップリングコンデンサとを接続する配線のインダクタンスをきわめて小さくすることができる。しかも、薄膜コンデンサ２０は、優れた温度特性を有しているから、ＬＳＩ１２の電力消費に伴う発熱によって、薄膜コンデンサ２０の温度が大きく上昇しても、容量の変化を小さくすることができる。
したがって、薄膜コンデンサ２０は、デカップリングコンデンサ、とくに、動作周波数の高いＬＳＩ用のデカップリングコンデンサとして好ましく利用することができる。
第４図は、本発明の他の好ましい実施態様にかかる薄膜コンデンサの略断面図である。
第４図に示されるように、本実施態様にかかる薄膜コンデンサ４０は、複数の誘電体薄膜２６を備え、隣り合った誘電体薄膜２６の間に、に第一の電極薄膜４１と第二の電極薄膜４２とが、交互に配置されている。
第一の電極薄膜４１および第二の電極薄膜４２はそれぞれ短絡され、それによって、本実施態様にかかる薄膜コンデンサ４０は、第２図に示される薄膜コンデンサ２０よりも、さらに大きな容量を有している。
第一の電極薄膜４１および第二の電極薄膜４２を形成するための材料は、導電性を有するとともに、誘電体膜２６の表面上に形成されたときに、その表面４１ａ、４２ａが、［００１］方位に配向することが必要であり、たとえば、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属およびこれらの金属のうち、少なくとも一種の金属を主成分として含む合金、ＳｒＲｕＯ３、ＣａＲｕＯ３、ＳｒＶＯ３、ＳｒＣｒＯ３、ＳｒＣｏＯ３、ＬａＮｉＯ３、ＮｂドープＳｒＴｉＯ３などのペロブスカイト構造を有する導電性酸化物およびこれらの混合物、Ｂｉ２Ｓｒ２ＣｕＯ６などの超伝導性ビスマス層状構造を有する超伝導体などによって、第一の電極薄膜４１および第二の電極薄膜４２が形成される。
好ましくは、これらの材料の中から、誘電体薄膜２６との格子整合性に優れた材料が選択され、第一の電極薄膜４１および第二の電極薄膜４２が形成される。
ただし、最上層の電極薄膜（図５においては第一の電極薄膜４１）の材料は、導電性を有していれば、とくに限定されず、第２図に示された薄膜コンデンサ２０の上部電極薄膜２４と同様の材料によって、最上層の電極薄膜を形成することができ、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）などの卑金属や、ＷＳｉ、ＭｏＳｉなどの合金を用いることもできる。
以上のような構成を有する薄膜コンデンサ４０は、表面３０ａが［００１］方位に配向している支持基板３０の表面３０ａ上に、バッファ層３２を、エピタキシャル成長させて、表面３２ａが［００１］方位に配向しているバッファ層３２を形成し、さらに、第一の電極薄膜４１または第二の電極薄膜４２と誘電体薄膜２６とを、交互に形成することによって、作製される。
第一の電極薄膜４１および第二の電極薄膜４２は、エピタキシャル成長によって形成される。その結果、第一の電極薄膜４１の表面４１ａおよび第二の電極薄膜４２の表面４２ａは、下地であるバッファ層３２の表面３２ａまたは誘電体薄膜２６の表面２６ａと同様に、［００１］方位に配向されるから、誘電体薄膜２６に含まれるビスマス層状化合物を、［００１］方位に、すなわち、ｃ軸方向に配向することができる。
最上層の電極薄膜は、エピタキシャル成長によって形成する必要がない。
本発明は、以上の実施態様に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
たとえば、第２図に示される実施態様においては、下部電極薄膜３４と誘電体薄膜２６とが接しており、薄膜コンデンサ２０の容量の低下を防止するためには、下部電極薄膜３４と誘電体薄膜２６とが接していることが好ましいが、下部電極薄膜３４と誘電体薄膜２６とが接していることは必ずしも必要でなく、下部電極薄膜３４と誘電体薄膜２６と間に、誘電体薄膜２６側の表面が［００１］方位に配向している誘電体薄膜が介在していてもよい。
また、第４図に示される実施態様においては、第一の電極薄膜４１と誘電体薄膜２６とが接し、第二の電極薄膜４２と誘電体薄膜２６とが接しており、薄膜コンデンサ４０の容量の低下を防止するためには、第一の電極薄膜４１と誘電体薄膜２６とが接し、第二の電極薄膜４２と誘電体薄膜２６とが接していることが好ましいが、第一の電極薄膜４１と誘電体薄膜２６とが接し、第二の電極薄膜４２と誘電体薄膜２６とが接していることは必ずしも必要でなく、第一の電極薄膜４１と誘電体薄膜２６と間および／または第二の電極薄膜４２と誘電体薄膜２６との間に、誘電体薄膜２６側の表面が［００１］方位に配向している誘電体薄膜が介在していてもよい。
さらに、前記実施態様においては、支持基板３０の表面上に、バッファ層３２が形成されているが、支持基板３０を形成している材料と、下部電極薄膜３４または第一の電極薄膜４１もしくは第二の電極薄膜４２を形成している材料を接触させても、反応することがなく、かつ、支持基板３０を形成している材料の格子定数と、下部電極薄膜３４または第一の電極薄膜４１もしくは第二の電極薄膜４２を形成している材料の格子定数とが十分に近ければ、支持基板３０の表面上に、バッファ層３２を形成することは必ずしも必要でない。
本発明によれば、小型で、かつ、大容量の誘電特性に優れた薄膜コンデンサおよびその製造方法を提供することが可能になる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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