(57)【要約】      （修正有）【課題】誘電体薄膜素子に関し、比誘電率を高く維持しつつ、静電容量の良好なＤＣバイアス特性を示す誘電体薄膜素子及びその誘電体薄膜を有する誘電体素子を提供する。【解決手段】支持基板１と、支持基板上に形成された第一の電極３と、第一の電極上に形成されたＢａＴｉＯ３を主成分とする誘電体薄膜５と、誘電体薄膜上に形成された第二の電極４と、を有する誘電体薄膜素子において、誘電体薄膜が、（１１０）面または（１１１）面に配向した結晶群を含み、結晶群が、第一の電極と第二の電極に接する柱状結晶Ａと、第一の電極と第二の電極のいずれか一方のみに接する結晶Ｂとから成り、誘電体薄膜主面に対して垂直方向の切断面全体の面積をＳＴ、結晶群が占める面積をＳ（Ａ＋Ｂ）とした場合、Ｓ（Ａ＋Ｂ）／ＳＴ≧６５％であることを特徴とする。【選択図】図１
2017183353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板と、前記支持基板上に形成された第一の電極と、
前記第一の電極上に形成されたＢａＴｉＯ３を主成分とする誘電体薄膜と、
前記誘電体薄膜上に形成された第二の電極と、
を有する誘電体薄膜素子において、
前記誘電体薄膜が、（１１０）面または（１１１）面に配向した結晶群を含み、
前記結晶群が、
前記第一の電極と第二の電極に接する柱状結晶Ａと、
前記第一の電極と第二の電極のいずれか一方のみに接する結晶Ｂと
から成り、
前記誘電体薄膜主面に対して垂直方向の切断面全体の面積をＳＴ、前記結晶群が占める面積をＳ（Ａ＋Ｂ）とした場合、Ｓ（Ａ＋Ｂ）／ＳＴ≧６５％であることを特徴とする誘電体薄膜素子。
【請求項２】
前記誘電体薄膜主面に対して垂直方向の切断面における前記結晶Ｂが占める面積をＳＢとした場合、前記Ｓ（Ａ＋Ｂ）とＳＢとの関係が
０．３０≦ＳＢ／Ｓ（Ａ＋Ｂ）≦０．９０
であることを特徴とする請求項１に記載の誘電体薄膜素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体薄膜を備える薄膜コンデンサ等の誘電体薄膜素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器の多機能化に伴い、電子機器に含まれている電子回路基板には様々な機能の追加が望まれている。そのため、電子回路基板に実装される電子部品の個数は、多くなる傾向にある。このため、電子部品の実装密度を向上させることが強く望まれている。
【０００３】
その要求の回答の一つとして、電気回路基板内に電子部品を埋め込むことが提案されている。電子回路基板に多く実装されている電子部品の一つに、従来の積層セラミックコンデンサがある。しかしながら、この積層セラミックコンデンサを電気回路基板内に埋め込む場合、積層セラミックコンデンサの厚み及びセラミックスという性質からくる脆性に起因して、埋め込みの工程において発生する応力により、積層セラミックコンデンサにクラックが発生したり、埋め込んだ部分の電気回路基板が変形したりする等の問題があった。
【０００４】
これらの問題は、従来の積層セラミックコンデンサの中で、極小な形状を用いた場合でも解消することは困難であった。そのため、電気回路基板内への埋め込み用のコンデンサとして、積層セラミックコンデンサより薄い低背なコンデンサが望まれている。低背なコンデンサとしては、従来、薄膜コンデンサが知られている。
【０００５】
薄膜コンデンサは、小型、高性能の電子部品としてデカップリングコンデンサなどの用途で広く利用されている。薄膜コンデンサとしては、高い静電容量を要求されるため、誘電体薄膜は比誘電率が高いことが薄膜コンデンサを設計する上で不可欠な特性となる。しかし、従来の比誘電率が高い誘電体薄膜は，直流電圧を印加した際の比誘電率の変化率が高い（ＤＣバイアス特性が悪い）ことが問題となっていた。
【０００６】
この問題に対し、特許文献１では、マクロな自発分極を持たないためＤＣバイアス特性に優れ、かつ高い比誘電率であるＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３（ＰＭＮ）に、反強誘電体であるためＤＣバイアス特性に優れたＰｂＺｒＯ３を固溶させることで、高い比誘電率でＤＣバイアス特性に優れた誘電体薄膜を作製する技術が開示されている。
【０００７】
また、特許文献２には、（Ｂａ、Ｓｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）であっても特定の組成範囲に制御し、（１００）面と（１１０）面の回折線ピーク強度の比を特定の範囲に制御することにより、良好な温度特性で、かつ２００〜５００程度の比誘電率を示し、リーク電流密度の低い誘電体薄膜についての技術が開示されている。特許文献２においては、ＤＣバイアス特性については言及されていないものの、比誘電率が５００程度のため、ＤＣバイアス特性の良好であることが予想される。
【０００８】
また、前記特許文献２と同じＢＳＴを用いた技術として、熱処理により（１１１）面に配向させ、誘電体層を構成する誘電体結晶粒子が厚み方向に長い柱状結晶である誘電体層を有する可変容量コンデンサにおいて、誘電体層の酸素の格子欠陥を抑制することで誘電損失を低減している技術が特許文献３に開示されている。
【０００９】
特許文献４には、第１電極および第２電極間にペロブスカイト構造を有する結晶性誘電体薄膜を備えた半導体装置であって、前記結晶性誘電体薄膜の柱状結晶部分に結晶性が不連続となる不連続面を少なくとも有することを特徴とする誘電体薄膜を形成することにより、単位容量を維持しつつ、逆バイアス領域でのリーク電流を低減して耐圧を向上させた技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−１８８６７９号公報
【特許文献２】特開２００６−１２８６５７号公報
【特許文献３】特開２００２−３２９７８７号公報
【特許文献４】特開２００７−２３４７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１では、組成にＰｂが存在するために、原料として例えばＰｂＯ、ＰｂＯ２、Ｐｂ３Ｏ４などを用いなければならず、生産工程において、これら原料の環境への拡散が起こりうる。近年では環境との調和が求められており、Ｐｂを使用せず、同様な特性を得ることが望まれている。
【００１２】
また、特許文献２、特許文献３に記載されている誘電体薄膜では、比誘電率が５００程度までしか得られず、市場から要求されている静電容量の高い薄膜コンデンサを得ることが困難である。なお、特許文献３は、可変容量コンデンサに使用される誘電体薄膜であるため、ＤＣバイアス特性が悪い、言い換えると直流電圧を印加した際の比誘電率の変化率が高いことが必要となる特殊な使用例である。
【００１３】
特許文献４は、柱状結晶部に必ず不連続面を有するとともに、結晶部も多結晶体で構成されているため、高い比誘電率を得ることが困難となる。このため、高い比誘電率と良好なＤＣバイアス特性を両立することが出来ない。  本発明は、このような実状に鑑みてなされ、高い比誘電率と、良好なＤＣバイアス特性とを有する誘電体薄膜を備えた誘電体薄膜素子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】
【００１４】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の誘電体薄膜素子は
支持基板と、前記支持基板上に形成された第一の電極と、
前記第一の電極上に形成されたＢａＴｉＯ３を主成分とする誘電体薄膜と、
前記誘電体薄膜上に形成された第二の電極と、
を有する誘電体薄膜素子において、
前記誘電体薄膜が、（１１０）面または（１１１）面に配向した結晶群を含み、
前記結晶群が、
前記第一の電極と第二の電極に接する柱状結晶Ａと、
前記第一の電極と第二の電極のいずれか一方のみに接する結晶Ｂと
から成り、
前記誘電体薄膜主面に対して垂直方向の切断面全体の面積をＳＴ、前記結晶群が占める面積をＳ（Ａ＋Ｂ）とした場合、Ｓ（Ａ＋Ｂ）／ＳＴ≧６５％であることを特徴とする。
【００１５】
ここで、本発明の特徴の一つである柱状結晶について説明する。
本発明の柱状結晶とは、誘電体薄膜の主面に対し、垂直方向の切断面で観察した場合、第一の電極と第二の電極に接している厚み方向に長い結晶粒子のことであること意味している。そのため、第一の電極または第二の電極に対して、完全に垂直ではなく、電極に対して±５°程度傾斜している場合もある。また、本発明の柱状結晶は、（１１０）面または（１１１）面どちらか一方に優先配向しており、その柱状結晶には、不連続の部分、つまり配向面が異なる箇所を有しないことも特徴の一つとなっている。
【００１６】
上記に示したような柱状結晶Ａと結晶Ｂを、前記化学式ＢａＴｉＯ３を主成分した材料で形成し、更に、（１１０）面または（１１１）面どちらか一方に優先配向させ、更に、前記柱状結晶Ａと結晶Ｂの面積Ｓ（Ａ＋Ｂ）が前記誘電体薄膜主面に対して垂直方向の切断面全体の面積をＳＴに対して、Ｓ（Ａ＋Ｂ）／ＳＴ≧６５％に制御することで、高い比誘電率と良好なＤＣバイアス特性とを両立できることを可能とした。本発明者らは、このような効果が得られる要因を次のように考えている。
【００１７】
前記誘電体薄膜が、ＢａＴｉＯ３を主成分する柱状結晶の結晶構造を備え、更に、前記柱状結晶が（１１０）面または（１１１）面どちらか一方に優先配向していることで、分極軸が、電圧印加方向と垂直および水平と、異なる分極方向を持つことになり、電界方向に束縛される双極子の量を低減することができる。また、前記第一の電極と第二の電極のいずれか一方のみに接する結晶Ｂとを備えることで、結晶群がそれぞれ電極に対して傾斜している場合もある。このため、分極方向が一様に定まらない。その結果、高い比誘電率と良好なＤＣバイアス特性を得ることが可能となったものと考えている。
【００１８】
また、本発明の望ましい態様としては、
前記誘電体薄膜主面に対して垂直方向の切断面における前記結晶Ｂが占める面積をＳＢとした場合、前記Ｓ（Ａ＋Ｂ）とＳＢとの関係が
０．３０≦ＳＢ／Ｓ（Ａ＋Ｂ）≦０．９０とすることで、比誘電率を維持したまま、更に、良好なＤＣバイアス特性を実現することが可能となる。
【００１９】
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、高い比誘電率と、良好なＤＣバイアス特性とを有する誘電体薄膜を備えた誘電体薄膜素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る薄膜コンデンサの断面図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る誘電体薄膜の結晶構造概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図表を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。
【００２３】
＜薄膜コンデンサ１０＞
図１は、本発明の一実施形態に係る誘電体薄膜素子の一例としての、薄膜コンデンサ１０の断面図である。薄膜コンデンサ１０は、支持基板１の表面に積層された第一の電極３と、第二の電極４、及び第一の電極３と第二の電極４の間に設けられた誘電体薄膜５とを備えている。支持基板１と第一の電極３の間に、支持基板１と第一の電極３の密着性を向上させるために下地層２を備える。支持基板１は、薄膜コンデンサ１０全体の機械的強度を確保する機能を有する。
【００２４】
薄膜コンデンサ１０の形状に特に制限はないが、通常、直方体形状とされる。またその寸法にも特に制限はなく、厚みや長さは用途に応じて適当な寸法とすればよい。
【００２５】
＜支持基板１＞
図１に示す支持基板１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、単結晶としてはＳｉ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単結晶や、セラミック多結晶としてはＡｌ２Ｏ３多結晶、ＺｎＯ多結晶、ＳｉＯ２多結晶や、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐｔなどの金属や、それらの合金などによって支持基板１を形成することができるが特に限定されるものではない。支持基板１は、材質によってその比抵抗が異なる。比抵抗が低い材料を支持基板１として使用する場合、そのまま使用すると支持基板１側への電流のリークが薄膜コンデンサ１０の電気特性に影響を及ぼすことがある。そのため、支持基板１の表面に絶縁処理を施し、使用時の電流が支持基板１へ流れないようにする場合もある。例えば、Ｓｉ単結晶を支持基板１として使用する場合においては、支持基板１の表面を酸化させてＳｉＯ２絶縁層の形成を行うことや、支持基板１表面にＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎｘなどの絶縁物を形成してもよい。その場合、支持基板１への絶縁が保てればその絶縁層の材料や膜厚は限定されないが、膜厚は０．０１μｍ以上が好ましい。０．０１μｍ未満では絶縁性が保てないため、絶縁層の厚みとして好ましくない。支持基板１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いが、たとえば、１０μｍ〜５０００μｍであることが好ましい。１０μｍ未満の場合は機械的強度が弱くなり、５０００μｍを超えると電子部品の小型化には適さない大きさとなってしまう。
【００２６】
本実施形態において、図１に示す薄膜コンデンサ１０は、好ましくは、絶縁処理を施した支持基板１表面に、下地層２を有している。下地層２は、支持基板１と第一の電極３の密着性向上を目的として挿入される。一例として、第一の電極３にＣｕを使用する場合には下地層２はＣｒを、第一の電極３にＰｔを使用する場合にはＴｉを下地層２として挿入することが一般的である。
【００２７】
密着性向上を目的としていることから、前記材料に限定されるものではなく、また支持基板１と第一の電極３の密着性を保つことが出来れば、下地層２は省略しても良い。
【００２８】
＜第一の電極３＞
第一の電極３を形成するための材料は、導電性を有していれば良く、例えば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉなどの金属や、それらの合金、又は導電性酸化物などを用いることができる。そのため、コストや誘電体薄膜５を熱処理するときの雰囲気に対応した材料を選択すればよい。誘電体薄膜５は大気中の他、不活性ガスであるＮ２やＡｒ、またＯ２、不活性ガスと還元性ガスであるＨ２の混合ガスで熱処理を行うことが出来る。第一の電極３の膜厚は電極として機能すれば良く、０．０１μｍ以上が好ましい。０．０１μｍ未満の場合、導電性が悪くなることから好ましくない。また、支持基板１に電極として使用可能なＣｕやＮｉ、Ｐｔ等や酸化物導電性材料など電極と同一の材料を選択することも出来る。
【００２９】
第一の電極３の形成後に、下地層２と第一の電極３との密着性向上と、第一の電極３の安定性向上のために熱処理を行ってもよい。熱処理を行う場合、昇温速度は好ましくは１０℃／分〜２０００℃／分、より好ましくは１００℃／分〜１０００℃／分である。熱処理時の保持温度は、好ましくは４００℃〜８００℃、その保持時間は、好ましくは０．１時間〜４．０時間である。上記の範囲を超えると、密着不良の発生、第一の電極３の表面に凹凸が発生することで、誘電体薄膜５の誘電特性の低下が生じやすくなる。
【００３０】
＜誘電体薄膜５＞
誘電体薄膜５は、ＢａＴｉＯ３を主成分とする誘電体薄膜であるが、ＢａＴｉＯ３が主成分であり、Ｂａの一部をＣａに、Ｔｉの一部をＺｒに置換した（ＢａＣａ）（ＴｉＺｒ）Ｏ３等を用いてもよい。また、誘電体薄膜が（１１０）面または（１１１）面に配向したＢａＴｉＯ３を主成分とする誘電体薄膜であっても、本発明の特徴を有する柱状結晶を備えていない場合は、本発明の効果を得ることが出来ない。
【００３１】
誘電体薄膜５は、ＢａＴｉＯ３を主成分として誘電体薄膜であり、前記誘電体薄膜が、（１１０）面または（１１１）面に配向した結晶群を含み、前記結晶群が、前記第一の電極と第二の電極に接する柱状結晶Ａと、前記第一の電極と第二の電極のいずれか一方のみに接する結晶Ｂとから成り、前記誘電体薄膜主面に対して垂直方向の切断面全体の面積をＳＴ、前記結晶群が占める面積をＳ（Ａ＋Ｂ）とした場合、Ｓ（Ａ＋Ｂ）／ＳＴ≧６５％であることを特徴とする。
【００３２】
誘電体薄膜５が、ＢａＴｉＯ３を主成分とする誘電体薄膜であり、柱状結晶Ａと、前記第一の電極と第二の電極のいずれか一方のみに接する結晶Ｂと備える結晶群を有しても、前記結晶群が（１１０）面または（１１１）面に配向していなければ、高い比誘電率と良好なＤＣバイアス特性を得ることが困難となる。
また、誘電体薄膜５が、ＢａＴｉＯ３を主成分とする誘電体薄膜であり、柱状結晶Ａの結晶構造を備えていても、前記第一の電極と第二の電極のいずれか一方のみに接する結晶Ｂと、前記誘電体薄膜主面に対して垂直方向の切断面全体の面積ＳＴに対する前記結晶群が占める面積Ｓ（Ａ＋Ｂ）／ＳＴが６５％未満では高い比誘電率と良好なＤＣバイアス特性を得ることが困難となる。
【００３３】
前記誘電体薄膜主面に対して垂直方向の切断面における前記結晶Ｂが占める面積をＳＢとした場合、前記Ｓ（Ａ＋Ｂ）とＳＢとの関係が０．３０≦ＳＢ／Ｓ（Ａ＋Ｂ）≦０．９０であることが好ましい。前記のように結晶を制御することで、高い比誘電率を維持したまま、更に良好なＤＣバイアス特性を実現できる。本実施形態に係る誘電体薄膜に含まれる柱状結晶Ａと結晶Ｂの占める断面積の算出方法について、図２を用いて説明する。
【００３４】
本実施形態に係る誘電体薄膜（図２）は、誘電体薄膜の主面に対して垂直方向の切断面で観察した場合、第一の電極（ａ）と第二の電極（ｂ）に接している柱状結晶（ｃ）と、第一の電極（ａ）または第二の電極（ｂ）のどちらか一方のみに接している、例えば図２に示される結晶（ｄ）が含まれる構造を有するものである。例えば、前記誘電体薄膜の主面をＦＩＢ（集束イオンビーム）加工装置で切断した断面をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）による切断面観察および電子線回折観察を行い、(１１１)面または(１１０)面の回折スポットを使った暗視野像から得た画像を、２値化し、 (１１１)面または(１１０)面のみを白くなるよう画像処理することで配向面の区別が可能である。なお、画像処理方法は特に限定されるものではない。本発明では、２値化の閾値は切断面画像の規格化した輝度ヒストグラムの最大ピークの１／３とした。さらに、同じ視野のＴＥＭ明視野像と比べることで柱状結晶（ｃ）と結晶（ｄ）との区別も可能である。また、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の反射電子像などでも柱状結晶（ｃ）と結晶（ｄ）との区別が可能な場合がある。
【００３５】
ＴＥＭにおける観察視野の設定方法には特に制限はないが、観察視野の大きさは１．４μｍ以上×１．４μｍ以上、観察視野の倍率は５００００倍〜１０００００倍とすることが好ましい。
【００３６】
次に、前記観察視野において、柱状結晶（ｃ）が占める断面積、および、結晶（ｄ）が占める断面積を算出する。前記断面積を求める方法については特に限定はない。例えば、(１１１)面または(１１０)面の回折スポットを使った暗視野像から得た２値化画像を、第一の電極（ａ）と第二の電極（ｂ）に接している面積領域を選択し、その領域を占めるピクセルの個数をカウントし、１ピクセルあたりの面積を掛けることで柱状結晶（ｃ）が占める断面積を算出することができる。同様に、前記暗視や像から得た２値化画像から、第一の電極（ａ）または第二の電極（ｂ）のどちらか一方のみに接している面積領域を選択することで、結晶（ｄ）が占める断面積も算出することができる。
【００３７】
なお、実際の測定数は得られた誘電体薄膜に対して１．４μｍ×１．４μｍの視野で最低１０視野とした。
【００３８】
なお、柱状結晶（ｃ）と結晶（ｄ）の生成量は、誘電体薄膜の作製方法によって、適宜制御することができる。例えば、成膜中の高周波電力や支持基板温度により、柱状結晶（ｃ）の生成を促すことができる。また、成膜開始時の高周波電力を成膜中高周波電力よりも小さくすることで、特定結晶（ｄ）を生成することができる。
【００３９】
本実施形態に係る誘電体薄膜は、特定柱状結晶（ｃ）と結晶（ｄ）を含有する構成により、誘電特性、すなわち比誘電率やＤＣバイアス特性を大きくすることが可能となる。
【００４０】
一方、上記の構造を含まない場合には、誘電特性、すなわち比誘電率やＤＣバイアス特性が低下してしまう。
また、前記第一の電極または第二の電極のどちらか一方のみに接している結晶が、少なくとも（１１１）面または（１１０）面に配向しているため、ＤＣバイアス特性をより良好にすることが可能になる。
【００４１】
誘電体薄膜５の厚さは、好ましくは１０ｎｍ〜２０００ｎｍ、より好ましくは５０ｎｍ〜１０００ｎｍである。１０ｎｍ未満では絶縁破壊が生じやすく、２０００ｎｍを超える場合においては、コンデンサの静電容量を大きくするために電極面積を広くする必要があり、電子部品の設計によっては小型化が困難となる場合がある。誘電体薄膜厚の計測はＦＩＢ加工装置で誘電体薄膜の主面に対し、垂直方向に掘削し、得られた切断面をＳＥＭ等で観察して測長すれば良い。
【００４２】
誘電体薄膜５は、好ましくは真空蒸着法、スパッタリング法、ＰＬＤ（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）やゾル・ゲル法、ＣＳＤ（化学溶液堆積法）などの各種薄膜形成法を用いて形成したものである。その際に使用する原料（蒸着材料、各種ターゲット材料や有機金属材料等）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、絶縁性を大きく低下させる不純物でなければ、特に問題はない。
【００４３】
本発明の効果である誘電特性、すなわち比誘電率やＤＣバイアス特性を大きく劣化させるものでなければ、微少な不純物や副成分を含んでいてもかまわない。よって、残部である主成分の含有量は特に限定されるものではないが、たとえば前記主成分を含有する誘電体組成物全体に対して８０ｍｏｌ％以上、１００ｍｏｌ％以下である。
【００４４】
＜第二の電極４＞
本実施形態の一例において、薄膜コンデンサ１０は、誘電体薄膜５の表面に、薄膜コンデンサ１０の他方の電極として機能する第二の電極４を備えている。第二の電極４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３と同様の材料によって、第二の電極４を形成することができる。第二の電極４の膜厚は電極として機能すれば良く、１０ｎｍ以上が好ましい。膜厚が１０ｎｍ以下の場合、導電性が悪化するため第二の電極４として好ましくない。
【００４５】
次に本実施形態の薄膜コンデンサ１０の製造方法を説明する。
【００４６】
まず、熱酸化したＳｉ支持基板１上に下地層２として、たとえばスパッタリング法により、Ｔｉを成膜する。
【００４７】
次に、第一の電極３として前記Ｔｉの下地層２上に、たとえばスパッタリング法により、Ｐｔを成膜する。
【００４８】
次いで、前記Ｐｔの第一の電極３上に、誘電体薄膜５の前駆体を形成する。誘電体薄膜５の前駆体は、真空蒸着法、スパッタリング法、ＰＬＤ、ＭＯ−ＣＶＤ、ＭＯＤやゾル・ゲル法、ＣＳＤなどの各種薄膜形成法を用いて、形成することができる。
【００４９】
スパッタリング法の場合、所望の組成のターゲットを用いて、前記Ｐｔの第一の電極３上に、誘電体薄膜５の前駆体を形成する。本発明の特徴を有する誘電体薄膜５を形成するには、以下に示す条件下での作製することが好ましい。
【００５０】
支持基板温度：３００〜８００℃
雰囲気：アルゴン（Ａｒ）／酸素（Ｏ２）混合ガスを使用
配合比率１／１〜５／１
圧力：０．０１Ｐａ〜１０Ｐａ
成膜中高周波電力：２００Ｗ〜３００Ｗ
【００５１】
なお、成膜開始時高周波電力は、例えば１００Ｗにし、成膜中高周波電力よりも低くすることが好ましい。最後に、支持基板温度を室温まで下げる際、支持基板温度降温スピードを好ましくは５℃／分〜１０℃／分にする。
【００５２】
上記に示したように、厳密に成膜時の条件を設定することにより、本発明の特徴である（１１０）面または（１１１）面どちらか一方に配向した結晶群柱状結晶Ａと結晶Ｂとから成り、誘電体薄膜主面に対して垂直方向の切断面全体の面積をＳＴ、前記結晶群が占める面積をＳ（Ａ＋Ｂ）とした場合、Ｓ（Ａ＋Ｂ）／ＳＴ≧６５％であることを特徴とする誘電体薄膜５を形成することが出来る。
【００５３】
つまり、上記に示した成膜条件以外で成膜してしまうと、本発明の特徴を有する誘電体薄膜５が得られ難い。例えば、支持基板温度が３００℃未満、成膜中高周波電力が２００Ｗ未満だと、柱状結晶が得られ難い傾向となってしまう。一方、支持基板温度が８００℃より高く、成膜中高周波電力が３００Ｗよりも高い場合、前記第一の電極３と第二の電極４に接し、（１１１）面または（１１０）面に配向した柱状結晶Ａと、前記第一の電極３または第二の電極４のどちらか一方のみに接し、少なくとも（１１１）面または（１１０）面に配向した結晶Ｂとを備えた結晶構造が得られ難い。
【００５４】
成膜開始時高周波電力を、成膜中高周波電力よりも低い場合、前記第一の電極３または第二の電極４のどちらか一方のみに接し、少なくとも（１１１）面または（１１０）面に配向した結晶Ｂを得られ難い。
【００５５】
支持基板温度降温スピードを１０℃／分よりも早くした場合、（１１１）面または（１１０）面に配向した柱状結晶Ａを得られ難い。
【００５６】
さらに、得られた前記誘電体薄膜５上に、たとえばスパッタリング法にて第二の電極４であるＰｔ薄膜を形成し、薄膜コンデンサ１０が得られる。
【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、上述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に改変することができる。
【実施例】
【００５８】
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。表１に示す実施例１〜実施例１５、比較例１〜比較例３は以下のように作成した。
【００５９】
【表１】
2017183353.tif 000003
【００６０】
＜実施例１＞
表面に熱酸化膜（ＳｉＯ２）が形成されたＳｉ支持基板上に密着層として０．０３μｍのＴｉＯ２膜を形成した。次に、密着層上にスパッタリング法により第一の電極３を形成した。電極材料にはＰｔを用い、厚みは０．１〜０．３μｍとした。次に、下部電極層上に所定組成のＢａＴｉＯ３ターゲットを用いてスパッタリング法により表１に誘電体薄膜を形成した。成膜は、Ａｒガスに２５体積％の酸素ガスを含有する混合ガス雰囲気中で、成膜圧力を１Ｐａ、基板温度を５００℃、成膜開始時高周波電力：２００Ｗ、成膜中高周波電力：２００Ｗ、支持基板降温スピード１０℃／分の条件下で行った。誘電体薄膜の厚みは０．４μｍとした。
【００６１】
次いで、得られた前記誘電体薄膜上にスパッタリング法にて第二の電極構造体であるＰｔ薄膜を、マスクを使って、直径５ｍｍ、厚さ０．０５μｍとなるように形成し、表１に示す実施例１の薄膜コンデンサ試料を得た。
【００６２】
＜比較例１〜３、実施例２〜１５＞
以下、比較例１〜３および実施例２〜１９は表１に従って実施例１から条件を変更し薄膜コンデンサ試料を得た。
【００６３】
得られた薄膜コンデンサ試料について、比誘電率、ＤＣバイアス特性、誘電体薄膜の結晶相および切断面評価を、それぞれ下記に示す方法により測定し表２に示す測定結果を得た。
【００６４】
＜比誘電率＞
比誘電率は、薄膜コンデンサ試料に対し、基準温度２５℃において、デジタルＬＣＲメータ（ＹＨＰ社製４２７４Ａ）にて、周波数１ｋＨｚ、入力信号レベル（測定電圧）１００ｍＶｒｍｓの条件下で測定された静電容量Ｃから算出した（単位なし）。比誘電率は高いほうが好ましく、本実施例では、１０００以上を良好とした。
【００６５】
＜ＤＣバイアス特性＞
ＤＣバイアス特性は、薄膜コンデンサ試料に対し、基準温度２５℃において、デジタルＬＣＲメータ（ＹＨＰ社製４２７４Ａ）にて、周波数１ｋＨｚ、入力信号レベル（測定電圧）１００ｍＶｒｍｓ／μｍ、直流電圧４Ｖ／μｍの条件下で測定された静電容量の変化率Ｃｂｉａｓ／Ｃから算出した（単位なし）。ＤＣバイアス特性は低いほうが好ましく、本実施例では、±２０％以内を良好とした。
【００６６】
＜優先配向面＞
誘電体薄膜に対し、リガク社製全自動水平型多目的Ｘ線回折装置 ＳｍａｒｔＬａｂによるＸ線回折（ＸＲＤ）測定を行い、回折パターンを得た。Ｘ線回折のＸ線源としてＣｕ−Ｋα線を用い、その測定条件は、電圧４５ｋＶ、電流２００ｍＡ、２θ＝２０°〜７０°の範囲とした。得られた回折パターンにおける、面指数が（１００）面、（１１０）面、（１１１）面のピークの強度から、一番大きなピーク強度の配向面を優先配向面とした。
【００６７】
＜誘電体薄膜の切断面＞
誘電体薄膜に対し、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）による倍率１０００００倍での切断面観察および電子線回折観察を行い、(１１１)面または(１１０)面の回折スポットを使った暗視野像から得た画像を、２値化し、 (１１１)面または(１１０)面に配向した結晶のみを白くなるよう画像処理をした。なお、２値化の閾値は切断面画像の規格化した輝度ヒストグラムの最大ピークの１／３とした。さらに、同じ視野のＴＥＭ明視野像と比べることで誘電体薄膜切断面の全体に対し、第一の電極と第二の電極に接している面積領域を選択し、その領域を占めるピクセルの個数をカウントし、１ピクセルあたりの面積を掛けることで柱状結晶Ａが占める断面積を算出した。同様に、前記暗視や像から得た２値化画像から、第一の電極または第二の電極のどちらか一方のみに接している面積領域を選択することで、第一の電極または第二の電極のどちらか一方のみに接している結晶Ｂが占める断面積も算出した。
【００６８】
【表２】
2017183353.tif 000004
【００６９】
＜実施例１〜実施例６＞
表２から、優先配向面が（１１０）かつ、Ｓ（Ａ＋Ｂ）／ＳＴ≧６５％の場合、比誘電率が１０００以上と高くＤＣバイアス特性が±２０％以内であることが確認できた。
【００７０】
＜実施例７〜実施例１５＞
表２から、優先配向面が（１１０）かつ、Ｓ（Ａ＋Ｂ）／ＳＴ≧６５％であり、さらに、０．３０≦ＳＢ／Ｓ（Ａ＋Ｂ）≦０．９０である場合は、比誘電率が１０００以上と高くＤＣバイアス特性が±１０％未満であることが確認できた。
【００７１】
＜比較例１〜比較例３＞
表２から、優先配向面が（１１０）ではなく、あるいはＳ（Ａ＋Ｂ）／ＳＴが６５％未満である場合は、比誘電率が１０００以下と低く、ＤＣバイアス特性が±３０％以上であることが確認できた。
【００７２】
表３の実施例１６〜３０に示すように支持基板温度を７００℃にし、優先配向面が（１１１）となる薄膜コンデンサを得た。
【表３】
2017183353.tif 000005
【表４】
2017183353.tif 000006
【００７３】
＜実施例１６〜実施例２１＞
表４から、優先配向面が（１１１）かつ、Ｓ（Ａ＋Ｂ）／ＳＴ≧６５％の場合、比誘電率が１０００以上と高くＤＣバイアス特性が±２０％以内であることが確認できた。
【００７４】
＜実施例２２〜実施例３０＞
表２から、優先配向面が（１１１）かつ、Ｓ（Ａ＋Ｂ）／ＳＴ≧６５％であり、さらに、０．３０≦ＳＢ／Ｓ（Ａ＋Ｂ）≦０．９０である場合は、比誘電率が１０００以上と高くＤＣバイアス特性が±１０％未満であることが確認できた。
【００７５】
次に、ＢａＴｉＯ３が主成分であり、Ｂａの一部をＣａに、Ｔｉの一部をＺｒに置き換えた場合についての実施例を示す。
【００７６】
＜実施例３１〜３３＞
表５の実施例３１〜３３において、主成分が、一般式（Ｂａ０．０６Ｃａ０．０４）０．９９５（Ｔｉ０．０６Ｚｒ０．０４）Ｏ３で表わされる誘電体組成物についても、実施例１３〜実施例１５と同様な条件で成膜を行った。その結果を表６に示す。
【００７７】
【表５】
2017183353.tif 000007
【００７８】
【表６】
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【００７９】
表６のように、優先配向面が（１１０）かつ、Ｓ（Ａ＋Ｂ）／ＳＴ≧６５％であり、さらに０．３０≦ＳＢ／Ｓ（Ａ＋Ｂ）≦０．９０であったため、比誘電率が１０００以上と高くＤＣバイアス特性が±１０％未満であることが確認できた。さらに、優先配向面が（１１１）の試料でも同様な効果が得られることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
以上に説明したように、本発明は、誘電体薄膜を備える薄膜コンデンサ等の誘電体薄膜素子に関わるものであり、本発明は比誘電率を高く維持しつつ、良好なＤＣバイアス特性を示す誘電体薄膜素子を提供することができる。それにより、誘電体薄膜を備える薄膜コンデンサ等の誘電体薄膜素子において、小型化、高機能化を図ることができる。本発明の誘電体薄膜素子は、例えば、トランジスタなどの能動素子に組み込み、集積回路等に用いることができる
【符号の説明】
【００８１】
ａ・・・第一の電極
ｂ・・・第二の電極
ｃ・・・前記第一の電極と第二の電極に接し、（１１１）面または（１１０）面に配向した柱状結晶
ｄ・・・前記第一の電極または第二の電極のどちらか一方のみに接し、少なくとも（１１１）面または（１１０）面に配向した結晶
１・・・    支持基板
２・・・    下地層
３・・・    第一の電極
４・・・    第二の電極
５・・・    誘電体薄膜
１０・・・  薄膜コンデンサ
【図１】
2017183353.tif 000009
【図２】
2017183353.tif 000010