专利名称：电介质薄膜元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及电介质薄膜元件及其制造方法。
背景技术：
近些年，薄膜电容器、反熔丝元件等电介质薄膜元件的研究兴盛起来。电介质薄膜元件具备具有电介质层和与电介质层相对的上下电极层的电容部，可以实现小型化、薄型化。但存在电介质薄膜元件的电容部由于水分的浸入而特性劣化的可能性。因此，为了提高耐湿性，提出了各种构造的电介质薄膜元件。例如在专利文献1中，公开了如图8所示，具备形成在基板101上，具有电介质层 102、下部电极层103和上部电极层104的电容部的电介质薄膜元件。而且，电容部的端部被由无机物或者树脂构成的绝缘保护层105覆盖。另外，绝缘保护层105被金属薄膜106 覆盖。通过该绝缘保护层105与金属薄膜106的层叠构造，能够阻断来自外部的水分的浸入。专利文献1 日本特开2002-299157号公报但是，在专利文献1的构成中，存在绝缘保护层105与基板101的紧贴性低这样的问题。因此，存在由于外部应力绝缘保护层105剥离的情况、在绝缘保护层105与基板101 之间产生空隙等缺陷的情况。因此，存在电介质薄膜元件的初始特性劣化的可能性。另外， 即使满足初始特性，也有存在水分从缺陷浸入，在可靠性试验后特性劣化的可能性。
发明内容
本发明鉴于这样的情况而提出，目的在于提供一种耐湿性高、特性劣化小的电介质薄膜元件。本发明的电介质薄膜元件具备基板；紧贴层，其形成于所述基板的一个主面上； 电容部，其具有在所述紧贴层上形成的下部电极层、在所述下部电极层上形成的电介质层和在所述电介质层上形成的上部电极层；和保护层，其形成为覆盖所述电容部，所述紧贴层的端部从所述保护层露出。在该情况下，紧贴层会存在于保护层与基板之间。因此，能够防止保护层与基板的剥离、保护层与基板之间的缺陷的产生。另外，本发明的电介质薄膜元件还具备在所述保护层的端部的至少一部分上形成的金属膜，优选所述紧贴层与所述金属膜接触。在该情况下，利用金属膜的存在，能够防止水分浸入保护层与基板之间的缺陷。另外，本发明的电介质薄膜元件的所述保护层具有无机保护层与有机保护层，优选所述金属膜以覆盖所述无机保护层与所述有机保护层的界面的外周部的方式形成。在该情况下，能够防止水分从无机保护层与有机保护层的界面的外周部浸入。另外，优选本发明的电介质薄膜元件的所述无机保护层具有多层构造。在该情况下，具有漏电流变小的效果。
另外，本发明提供了如下构成的电介质薄膜元件的制造方法。本发明的电介质薄膜元件的制造方法是具备基板；紧贴层，其形成于所述基板的一个主面上；电容部，其具有在所述紧贴层上形成的下部电极层、在所述下部电极层上形成的电介质层和在所述电介质层上形成的上部电极层；和以覆盖所述电容部的方式形成的保护层的电介质薄膜元件的制造方法，该电介质薄膜元件的制造方法具备在基板的一个主面上形成紧贴层的步骤；在所述紧贴层上形成具有下部电极层、电介质层和上部电极层的电容部的步骤；以覆盖所述电容部的方式形成保护层的步骤；和在形成贯通所述保护层与所述电介质层的开口部的同时去除所述紧贴层的一部分的步骤。在该情况下，通过同时加工电介质层与紧贴层，能够以低成本进行加工。另外，优选本发明的电介质薄膜元件的制造方法具备下述步骤在去除所述紧贴层的一部分的步骤之后，同时形成在所述保护层的端部的至少一部分上形成的金属膜和与所述上部电极层以及下部电极层的至少一方连接的引出电极。在该情况下，由于同时形成金属膜与引出电极，能够以低成本制作电介质薄膜元件。另外，在本发明的电介质薄膜元件的制造方法中，优选所述电介质层与所述紧贴层使用同一组成系的材料或者相同的材料而构成。在该情况下，电介质层与紧贴层的同时加工会变得容易。另外，在本发明的电介质薄膜元件的制造方法中，优选形成所述紧贴层的步骤包含在涂敷含有有机金属化合物的电介质原料溶液之后，进行加热处理的步骤。在该情况下，能够以低成本制作电介质薄膜元件。另外，在本发明的电介质薄膜元件的制造方法中，优选形成所述无机绝缘层的步骤包含在涂敷含有有机金属化合物的电介质原料溶液之后，进行加热处理的步骤。在该情况下，能够以低成本制作电介质薄膜元件。在本发明的电介质薄膜元件中，紧贴层存在于保护层与基板之间。因此，能够防止保护层与基板的剥离、保护层与基板之间的缺陷的产生。因此，能够提供耐湿性高、特性劣化小的电介质薄膜元件。
图1是表示本发明的电介质薄膜元件的一个实施方式的俯视图。(实验例1)图2是图1的A-A剖面图。(实验例1)图3是表示本发明的电介质薄膜元件的制造方法的一个实施方式的剖面图。图4是表示本发明的电介质薄膜元件的制造方法的一个实施方式的剖面图。图5是表示本发明的电介质薄膜元件的制造方法的一个实施方式的剖面图。图6是表示本发明的电介质薄膜元件的一个实施方式的剖面图。(实验例2)图7是表示现有的电介质薄膜元件的剖面图。(比较例)图8是表示现有的电介质薄膜元件的剖面图。
具体实施例方式下面对用于实施本发明的方式进行说明。
图1是本发明的电介质薄膜元件10的俯视图。另外，图2是图1的A-A剖面图。电介质薄膜元件10具备基板11、紧贴层13、电容部20和保护层30。作为基板11的材质，例如可以举出Si单结晶基板(以下称为“Si基板”)。优选在基板11的表面形成有氧化物层12。氧化物层12是以防止基板11与紧贴层13的相互扩散的目的而设置的。氧化物层12例如通过对基板11进行热处理而形成。紧贴层13在基板11的一个主面上形成。紧贴层13为了确保基板11的氧化物层 12与下部电极层21的紧贴性而形成。这时，优选紧贴层13使用与电介质层22为同一组成系的材料而构成。同一组成系的材料意味着主要的构成要素的比率不同的材料、含有不同的微量元素的材料。另外，更优选紧贴层13使用与电介质层22相同的材料而构成。在紧贴层13使用与电介质层22为同一组成系的材料、相同的材料而构成的情况下，具有容易同时加工紧贴层13与电介质层22的优点。电容部20具有下部电极层21、电介质层22和上部电极层23。下部电极层21形成于紧贴层13上。另外，电介质层22在下部电极层21上形成。另外，上部电极层23在电介质层22上形成。在下部电极层21以及上部电极层23中使用了具有导电性的金属材料。具体而言， 优选导电性良好、耐氧化性优良的高熔点的贵金属。作为贵金属的例子例如可以举出Au、 Pt。在电介质层22中使用了电介质材料。作为电介质材料的例子，可以举出(Ba，Sr) TiO3 (以下称为 “BST” )、SrTiO3> BaTi03、Pb (Zr, Ti) O3> SrBi4Ti4O15 等铋层状化合物。另外，在上部电极层23上设置有无机绝缘层24。无机绝缘层24是为了提高例如上部电极层23与保护层30的紧贴性而设置的。这时，优选无机绝缘层24使用与紧贴层13 是同一组成系的材料构成。另外，更优选无机绝缘层24使用与紧贴层13相同的材料构成。 在无机绝缘层24使用与紧贴层13为同一组成系的材料、相同的材料构成的情况下，具有容易同时加工无机绝缘层24与紧贴层13的优点。保护层30以覆盖电容部20与无机绝缘层24的方式形成。保护层30是为了防止例如水分浸入电容部20而形成的。保护层30具有无机保护层31与有机保护层33。作为无机保护层31的材质的例子，可以举出SiNx、SiO2, A1203、Ti02。另外，作为有机保护层33 的材质的例子，可以举出聚酰亚胺树脂、环氧树脂。在本实施方式中，紧贴层13的端部从保护层30露出。因此，由于紧贴层13存在于无机保护层31与基板11之间，因此能够防止无机保护层31与基板11的剥离。剥离也是无机保护层31与基板11之间的缺陷的原因。当缺陷中积存了水分时，成为水分浸入电容部20的原因，有可能产生特性劣化。外部电极43经由引出电极41与下部电极层21电连接。引出电极41贯通电介质层22、无机保护层31以及有机保护层33而形成。而且，引出电极41向有机保护层33的上部延伸。另外，外部电极44经由引出电极42与上部电极层23电连接。引出电极42贯通无机绝缘层24、无机保护层31以及有机保护层33而形成。而且，引出电极42向有机保护层33的上部延伸。外部电极43、44例如由二层构造构成。作为二层构造的材质的组合，例如可以举出Ni与Au。另外，引出电极41、42例如由二层构造构成。作为二层构造的材质的组合，例如可以举出Ti与Cu。在本实施方式中，金属膜45形成于保护层30的端部的至少一部分。而且，优选金属膜45与紧贴层13接触。也就是说，紧贴层13延伸至与金属膜45接触的位置。在该情况下，利用金属膜45的存在，能够防止水分浸入保护层30与基板11之间的缺陷。另外，优选金属膜45以覆盖无机保护层31与有机保护层33的界面的外周部的方式形成。在该情况下能够防止水分从无机保护层31与有机保护层33的界面的外周部浸入。金属膜45例如由二层构造构成。作为二层构造的材质的组合，例如可以举出Ti 与Cu。有机绝缘层34以覆盖无机保护层31以及有机保护层33、引出电极41、42和金属膜45的方式形成。而且，外部电极43、44以在电介质薄膜元件10的表面上露出的方式形成。作为有机绝缘层34的材质的例子，可以举出聚酰亚胺树脂、环氧树脂。此外，在本实施方式中，无机保护层31虽是单层构造，但优选无机保护层31具有多层的构造。因为考虑到无机保护层31的层数越多，水分到达电容部20的可能性越低，特性劣化也会消失。另外，在本实施方式中，电介质层22虽是单层构造，但例如为了确保电容量，也可以是多层电介质层22与电极层交替地设置的构造。另外，在本实施方式中，例如为了提高上部电极层23与保护层30的紧贴性而设置了无机绝缘层24，但无机绝缘层24不是必需的。接下来，基于图3 图5详述上述电介质薄膜元件的制造方法的一例。首先，如图3(a)所示准备基板11。例如，准备形成了 500 IOOOnm的SiO2层作为氧化物层12的Si基板。SiO2层例如通过对Si基板进行热处理而形成。接下来，如图3(b)所示，形成紧贴层13、下部电极层21、电介质层22、上部电极层 23和无机绝缘层24。首先，在基板11上形成紧贴层13。例如形成厚度10 IOOnm的BST层作为紧贴层13。紧贴层13例如通过化学溶液沉积(Chemical Solution D印osition ；以下称为 “CSD”)法形成。具体而言，在形成了氧化物层的Si基板的上面，通过旋转涂敷法涂敷以成为Ba Sr Ti = 70 30 100(摩尔比)的方式含有有机金属化合物的电介质原料溶液。其后，在加热板上以300 400°C进行干燥。其后，以600 700°C的条件进行10 60 分钟的加热处理。接下来，在紧贴层13上形成具有下部电极层21、电介质层22和上部电极层23的电容部20。首先，在紧贴层13上形成下部电极层21。例如形成厚度100 500nm的Pt层作为下部电极层21。下部电极层21例如通过溅射法形成。然后，在下部电极层21上形成电介质层22。例如以与前述的BST层同样的方法形成厚度50 200nm的BST层作为电介质层22。然后，在电介质层22上形成上部电极层23。例如以与前述的Pt层同样的方法形成厚度100 500nm的Pt层作为上部电极层23。接下来，在电容部20上形成无机绝缘层24。例如通过CSD法形成厚度10 IOOnm 的BST层作为无机绝缘层24。接下来，如图3(c)所示，进行无机绝缘层24、上部电极层23、电介质层22和下部电极层21的图案形成。首先，进行无机保护层24与上部电极层23的图案形成。例如，在无机保护层24上涂敷抗蚀剂，通过曝光、显影来形成抗蚀剂图案。然后，通过Ar离子蚀刻法将图案形成为规定形状后，通过灰化去除抗蚀剂。以同样的方法，对电介质层22与下部电极层21进行图案形成后，去除抗蚀剂。这时，如图3(c)所示，可以通过一次对无机保护层24与上部电极层23进行图案形成。另外，也可以通过一次对电介质层22与下部电极层 21进行图案形成。在该情况下，与在BST层与Pt层中改变蚀刻图案的情况相比，可以以低成本进行图案形成。接下来，例如也可以以700 900°C进行30分钟的热处理。接下来，以覆盖电容部20与无机绝缘层24的方式形成保护层30。首先，如图4(d)所示，以覆盖电容部20与无机绝缘层24的方式形成无机保护层31。无机保护层31的厚度例如为200 lOOOnm。无机保护层31例如通过 PECVD (Plasma-Enhanced CVD)法、溅射法形成。然后，如图4(e)所示，在无机保护层31上形成有机保护层33。有机保护层33的厚度例如为2 10 μ m。有机保护层33通过旋转涂敷例如感光性树脂材料，进行曝光、显影、固化来形成。接下来，如图4(f)所示，在形成贯通保护层30与电介质层22的开口部26的同时除去紧贴层13的一部分。具体而言，将有机保护层33作为掩模图案使用，例如使用01&气体来对无机保护层31进行图案形成。开口部26形成为露出下部电极层21的一部分。这时，优选电介质层22与紧贴层13使用同一组成系的材料或者相同的材料构成。因为当为同一组成系的材料、相同的材料时，具有容易同时加工电介质层22与紧贴层13的优点。另外，在本实施方式中，在去除紧贴层13的一部分的同时形成贯通保护层30与无机绝缘层24的开口部27。开口部27形成为露出上部电极层21的一部分。接下来，如图5(g)所示，同时形成引出电极41、42和金属膜45。例如，使用磁控溅射连续地形成Ti层、Cu层。Ti层与Cu层以沿着开口部的内周面与底面的方式形成。其后，通过按顺序进行抗蚀剂涂敷、曝光、显影形成抗蚀剂图案。然后，将抗蚀剂图案作为掩模，通过Ar离子蚀刻法对Cu层进行图案形成。接下来，直接使用抗蚀剂图案对Ti 层进行图案形成。引出电极41以与下部电极层21连接的方式形成。另外，引出电极42以与上部电极层23连接的方式形成。金属膜45以覆盖保护层30的至少端部的一部分的方式形成。接下来，如图5(h)所示，按照引出电极41、42的一部分露出的方式形成有机绝缘层34。例如旋转涂敷环氧树脂，按顺序进行曝光、显影、固化来形成有机绝缘层34。有机绝缘层的厚度例如为2 10 μ m。最后，如图5(i)所示，在引出电极41、42的露出部分形成外部电极43、44。具体而言，在抗蚀剂图案的开口部例如通过无电解镀敷形成M层与Au层。在一张基板上同时形成了多个电介质薄膜元件的情况下，也可以从基板上切下并取出各个电介质薄膜元件。这样来制作电介质薄膜元件。此外，本发明不限于上述的实施方式。各层的厚度、形成方法、形成条件仅是例示。 在不损害电介质薄膜元件的功能的范围内可以任意地变更。〔实验例〕如下制作了电介质薄膜元件。
[实验例1]制作图2那样的电介质薄膜元件作为实验例1。首先，准备形成了厚度700nm的SiO2层作为氧化物层的Si基板。接下来，在基板上形成了紧贴层。具体而言，形成了 50nm的BST层。首先，在形成了氧化物层的Si基板的上面通过旋转涂敷法涂敷以成为Ba Sr Ti = 70 30 100(摩尔比)的方式含有有机金属化合物的电介质原料溶液。其后，在加热板上以350°C的条件进行干燥。其后，以650°C的条件进行30分钟加热处理。接下来，在紧贴层上形成了厚度200nm的Pt层作为下部电极层。Pt层通过溅射法形成。接下来，按顺序形成电介质层、上部电极层。具体而言，在Pt层上，通过与前述的 BST层同样的方法，形成厚度90nm的BST层。然后在BST层上，通过与前述的Pt层同样的方法，形成厚度200nm的Pt层。接下来，在上部电极层上形成无机绝缘层。具体而言，通过与前述的BST层同样的方法，形成厚度90nm的BST层。接下来，进行无机绝缘层、上部电极层的蚀刻。其后，进行电介质层、下部电极层的蚀刻。首先，在作为无机绝缘层的BST层上涂敷抗蚀剂，通过曝光、显影形成抗蚀剂图案。然后，通过Ar离子蚀刻法，进行将图案形成为规定形状。其后以同样的方法进行电介质层与下部电极层的蚀刻。接下来，对上述层叠构造进行850°C、30分钟的热处理。接下来，形成无机保护层。具体而言，通过PECVD法形成厚度400nm的SiO2层。然后，在无机保护层上形成有机保护层。具体而言，通过旋转涂敷感光性聚酰亚胺，通过进行曝光、显影、固化形成厚度2μπι的聚酰亚胺树脂的有机保护层。接下来，将有机保护层作为掩模图案使用，使用CHF3气体对无机保护层进行图案形成。这时，以使上部电极层的一部分与下部电极层的一部分露出的方式形成开口部。并且，也同时去除紧贴层的一部分。接下来，同时形成引出电极与金属膜。具体而言，使用磁控溅射，连续地形成Ti层 (层厚100nm)、Cu层(层厚IOOOnm)。其后，通过按顺序进行抗蚀剂涂敷、曝光、显影来形成抗蚀剂图案。然后，以抗蚀剂图案作为掩模，通过Ar离子蚀刻法对Cu层进行图案形成。接下来，直接使用抗蚀剂图案对Ti层进行图案形成。接下来，以引出电极的一部分露出的方式形成有机绝缘层。具体而言，通过旋转涂敷感光性环氧树脂、按顺序进行曝光、显影、固化，形成厚度2 μ m的环氧层。接下来，在引出电极的露出部分形成外部电极。在抗蚀剂图案的开口部使用无电解镀敷形成厚度1 μ m的Ni层。其上形成厚度0. 05 μ m的Au层。最后，切割基板，取出电介质薄膜元件。[实验例2]制作了图6那样的电介质薄膜元件作为实验例2。图6的电介质薄膜元件的无机保护层成为具有第1无机保护层31与第2无机保护层32的2层构造。第1无机保护层31 通过溅射法形成了厚度50nm的SiNx层。另外，第2无机保护层通过PECVD法形成了厚度 400nm的SiO2层。此外是与实验例1同样的构成，以与实验例1同样的工序来制作。
[比较例]制作了图7那样的电介质薄膜元件作为比较例。图7的电介质薄膜元件没有金属膜，紧贴层13的端部被无机保护层31覆盖。因此，在电介质层22与下部电极层21的图案形成时进行了紧贴层13的一部分的去除。此外是与实验例1同样的构成，以与实验例1同样的工序来制作。对得到的实验例1、实验例2以及比较例的电介质薄膜元件进行了以下的评价。首先，实施了耐湿负荷试验(121°C、85% RH、+4V、48hr)。然后，分别比较了试验前后的相对介电常数与漏电流密度。表1中表示了试验前后的相对介电常数的测量结果。另夕卜，表2表示了试验前后的漏电流密度的测量结果。此外，耐湿负荷试验以10个样品来进行，表中记载了平均值。[表 1]
权利要求
1.一种电介质薄膜元件，其具备 基板；紧贴层，其形成于所述基板的一个主面上；电容部，其具有在所述紧贴层上形成的下部电极层、在所述下部电极层上形成的电介质层和在所述电介质层上形成的上部电极层；和保护层，其形成为覆盖所述电容部； 所述紧贴层的端部从所述保护层露出。
2.根据权利要求1所述的电介质薄膜元件，其特征在于，还具备在所述保护层的端部的至少一部分上形成的金属膜，所述紧贴层与所述金属膜接触。
3.根据权利要求1或2所述的电介质薄膜元件，其特征在于，所述保护层具有无机保护层与有机保护层，所述金属膜形成为覆盖所述无机保护层与所述有机保护层的界面的外周部。
4.根据权利要求1 3中任一项所述的电介质薄膜元件，其特征在于， 所述无机保护层具有多层构造。
5.一种电介质薄膜元件的制造方法，该电介质薄膜元件具备基板；紧贴层，其形成于在所述基板的一个主面上；电容部，其具有在所述紧贴层上形成的下部电极层、在所述下部电极层上形成的电介质层和在所述电介质层上形成的上部电极层；和保护层，其形成为覆盖所述电容部，该电介质薄膜元件的制造方法具备以下步骤在基板的一个主面上形成紧贴层的步骤；在所述紧贴层上形成具有下部电极层、电介质层和上部电极层的电容部的步骤； 以覆盖所述电容部的方式形成保护层的步骤；和在形成贯通所述保护层与所述电介质层的开口部的同时去除所述紧贴层的一部分的步骤。
6.根据权利要求5所述的电介质薄膜元件的制造方法，其特征在于，具备在去除所述紧贴层的一部分的步骤之后，同时形成在所述保护层的端部的至少一部分上形成的金属膜和与所述上部电极层以及下部电极层的至少一方连接的引出电极的步骤。
7.根据权利要求5或6所述的电介质薄膜元件的制造方法，其特征在于， 所述电介质层与所述紧贴层使用同一组成系的材料或者相同的材料而构成。
8.根据权利要求5 7中任一项所述的电介质薄膜元件的制造方法，其特征在于， 形成所述紧贴层的步骤包含在涂敷含有有机金属化合物的电介质原料溶液之后进行加热处理的步骤。
9.根据权利要求5 8中任一项所述的电介质薄膜元件的制造方法，其特征在于， 形成所述无机绝缘层的步骤包含在涂敷含有有机金属化合物的电介质原料溶液之后进行加热处理的步骤。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种耐湿性高、特性劣化小的电介质薄膜元件。本发明的电介质薄膜元件(10)具备基板(11)；在基板(11)的一个主面上形成的紧贴层(13)；电容部(20)，其具有在紧贴层(13)上形成的下部电极层(21)、在下部电极层(21)上形成的电介质层(22)和在电介质层(22)上形成的上部电极层(23)；和以覆盖电容部(20)的方式形成的保护层(30)。而且其特征在于，紧贴层(13)的端部从保护层(30)露出。
文档编号H01G4/33GK102473521SQ20108002886
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月20日 优先权日2009年7月22日
发明者中矶俊幸 申请人:株式会社村田制作所