JP4502632B2 - Thin film capacitor - Google Patents
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Description
本発明は、基体上に形成された金属酸化物からなり、電圧が印加される誘電体層を、二酸化珪素を主成分とする保護膜で気密に覆ってなる薄膜コンデンサに関するものであり、特に有効な耐湿性を有する保護膜を備えた薄膜コンデンサに関するものである。 The present invention relates to a thin-film capacitor comprising a metal oxide formed on a substrate, wherein a dielectric layer to which a voltage is applied is hermetically covered with a protective film mainly composed of silicon dioxide, and is particularly effective. The present invention relates to a thin film capacitor provided with a protective film having excellent moisture resistance.
薄膜電子部品の基本的な構成は、通常、機能素子領域を構成する薄膜に比べて十分に厚い基体(以下、いわゆる基板を含む総称とする)と、その表面上に上記素子を構成する個々の薄膜層を形成し加工して作製した素子と、その素子を外部環境から保護する保護膜及び外部との接続を採るための端子部に大別することができる。このうち、基体は、比較的外部からの衝撃や汚れ、高温、高湿環境等に対する耐久性は大きいが、薄膜の機能素子領域部分は、これらの要因に対して耐久性が非常に劣っているものが多い。 The basic configuration of the thin film electronic component is usually a base (hereinafter referred to as a generic name including a so-called substrate) that is sufficiently thicker than the thin film that constitutes the functional element region, and individual elements that constitute the element on the surface thereof. An element manufactured by forming and processing a thin film layer, a protective film for protecting the element from the external environment, and a terminal portion for connecting to the outside can be roughly classified. Of these, the substrate has a relatively high durability against external impacts and dirt, high temperature, high humidity environment, etc., but the functional element region of the thin film has a very poor durability against these factors. There are many things.
このため、従来、この機能素子領域を外部環境から保護するための保護膜を形成することで、機能素子領域を保護し、薄膜電子部品としての対環境耐性の向上を図ってきた。保護膜は、外部の機械的な衝撃からの保護のほか、湿度による劣化、薬品の汚染、酸化等を防止する役割を持っている。このため、保護膜に用いられる材料は、薬品や酸化に強い材料が用いられている。例えば、無機材料としては、ガラス等を含む二酸化珪素(SiO2)、窒化珪素(Si3N4)、有機材料としてはポリイミド、BCB(ベンゾシクロブテン)等である。これらの材料は、素子を構成する金属や誘電体材料と反応して素子及び保護膜の特性を劣化させることがなく、また、耐湿性、気密性、に優れており、いわば、標準的な保護膜材料として用いられている。これらの材料のなかでも、SiO2は、熱に強く、素子劣化を招く還元作用も無く、シリコンデバイスと材料が共通な部分を有することなどから広く用いられている。 For this reason, conventionally, by forming a protective film for protecting the functional element region from the external environment, the functional element region has been protected and the resistance to the environment as a thin film electronic component has been improved. In addition to protecting from external mechanical shocks, the protective film has a role of preventing deterioration due to humidity, chemical contamination, oxidation, and the like. For this reason, the material used for the protective film is a material resistant to chemicals and oxidation. For example, the inorganic material includes silicon dioxide (SiO 2 ) and silicon nitride (Si 3 N 4 ) including glass and the like, and the organic material includes polyimide, BCB (benzocyclobutene), and the like. These materials do not deteriorate the properties of the device and the protective film by reacting with the metal and dielectric materials that make up the device, and are excellent in moisture resistance and airtightness. It is used as a film material. Among these materials, SiO 2 is widely used because it is resistant to heat, does not have a reducing action that causes element deterioration, and has a common part with the silicon device.
薄膜の機能素子領域は、通常、湿度や酸化雰囲気,還元雰囲気などの外的環境要因には弱いものであり、これらの要素によって、特性が劣化したり、破壊に至ることが多い。そのため、機能素子領域を覆うように保護膜が形成されており、保護膜の機能は、こうした外的要因から薄膜の素子を隔離し、特性劣化や破壊を防止することにある。 The functional element region of the thin film is usually weak to external environmental factors such as humidity, oxidizing atmosphere, and reducing atmosphere, and these elements often deteriorate characteristics or lead to destruction. For this reason, a protective film is formed so as to cover the functional element region, and the function of the protective film is to isolate the thin film element from these external factors and to prevent characteristic deterioration and destruction.
したがって保護膜は、外的要因、例えば水分子などの浸入を完全に防止するか、少なくとも機能素子領域に影響が無い程度までに低減できるものでなくてはならない。このような機能を実現するため、保護膜には、その材料が水分子等の遮蔽すべき外的要因の透過係数が小さい材料であること、特に素子の層間の段差や端部の被覆が十分であることが求められる。通常の使用条件では、外的要因としては水分子が最も大きな問題となるため、保護膜には水分子の透過が少ない材料が用いられることが多い。さらに、素子の被覆に関しては、段差部分や端部の十分な被覆が最も困難なため、素子表面上の凹部を完全に埋めてしまう膜厚の薄膜を形成して保護膜としている。 Therefore, the protective film must be able to completely prevent the entry of external factors such as water molecules, or at least reduce the functional element region so as not to be affected. In order to realize such a function, the protective film is made of a material having a small transmission coefficient of an external factor to be shielded such as water molecules, and in particular, the step between the layers of the element and the covering of the end portions are sufficient. It is required to be. Under normal conditions of use, water molecules are the biggest problem as an external factor, and therefore, a material with little water molecule permeation is often used for the protective film. Further, regarding the covering of the element, since it is most difficult to sufficiently cover the stepped portion and the end portion, a thin film having a film thickness that completely fills the concave portion on the element surface is formed as a protective film.
先に述べたSiO2は、現在保護膜として広く用いられており、シリコンデバイスに対しては、耐湿保護膜として機能するには十分小さな、水分子等の遮蔽すべき外的要因の透過係数を有している。これは、シリコンデバイスが劣化するレベルの水分子等の外的要因濃度に対して耐湿遮蔽性が十分であることを意味している。したがって、一般的には、薄膜素子が劣化するレベルの水分子等の外的要因濃度に対しての耐湿遮蔽性すなわち透過係数の大小関係により、耐湿保護膜として機能するか否かが決定される。 The above-mentioned SiO 2 is widely used as a protective film at present, and for silicon devices, it has a permeability coefficient of an external factor that should be shielded, such as water molecules, that is small enough to function as a moisture-resistant protective film. Have. This means that the moisture shielding resistance is sufficient with respect to external factor concentrations such as water molecules at a level at which the silicon device deteriorates. Therefore, in general, whether or not to function as a moisture-resistant protective film is determined by the moisture-shielding resistance against the concentration of external factors such as water molecules at a level at which the thin-film element deteriorates, that is, the relationship of the transmission coefficient. .
一般的に、シリコンデバイスは、Si若しくはSiO2を主成分とするものであり、貴金属等を除く一般の金属材料に比べて、酸化還元作用に対しての耐性は高い。幾つかのドーパント成分が含まれている場合においても、耐酸化還元性は高いものが多い。水分子等の外的要因の薄膜素子への浸入によって発生する劣化は、水分子等の外的要因と印加されている電界の双方の作用によって酸化還元反応が進行することで起こっている。したがって、劣化の進行は、浸入した水分子等の外的要因の量と、水分子等の外的要因を触媒とした酸化還元反応の活性化エネルギーの両方によって決まる。 In general, a silicon device has Si or SiO 2 as a main component, and has higher resistance to redox action than a general metal material excluding noble metals. Even when several dopant components are contained, many have high oxidation-reduction resistance. Deterioration caused by the penetration of external factors such as water molecules into the thin film element is caused by the progress of the redox reaction due to the action of both external factors such as water molecules and the applied electric field. Therefore, the progress of deterioration depends on both the amount of external factors such as water molecules that have entered and the activation energy of the oxidation-reduction reaction using the external factors such as water molecules as a catalyst.
シリコンは共有結合性の元素であり、他の元素との化学反応に要する活性化エネルギーは比較的高い。一方、貴金属を除く一般的な金属元素は、金属結合性の元素であり、化学反応の活性化エネルギーは比較的小さく、比較的容易に他の元素との化合物を作りやすい。このことは、金属元素を有する薄膜デバイスでは、シリコンデバイスに比べて化学反応すなわち酸化還元反応の活性化エネルギーが小さく、反応速度が大きいことを意味している。薄膜素子の劣化を引き起こす酸化還元反応の急激な進行においては、印加電界等によりこの活性化エネルギーが供給されるが、この活性化エネルギーが小さいことは、比較的小さな電界強度でも酸化還元反応が進行すること、さらに、同電界強度であってもその反応速度が大きくなることを意味している。よって、金属酸化膜等に電界が印加される構造を有するデバイス、例えば、高容量の化合物誘電体コンデンサや圧電薄膜素子等では、シリコンデバイスと同等の電界強度と保護膜であっても、シリコンデバイスよりも劣化が早くなる。特に、従来技術で作製された保護膜で覆った誘電体層を有する薄膜コンデンサでは、湿中負荷寿命がシリコンデバイスよりも短くなっている。電界強度については、素子の動作に必要な値が耐湿負荷寿命とは関係なく決まっているため、この値を下げて耐湿負荷寿命を確保することは基本的に不可能である。したがって、耐湿負荷寿命の確保のために取りうる手段は、保護膜の水分子等の外的要因の透過率を小さくすることである。 Silicon is a covalently bonded element, and the activation energy required for chemical reaction with other elements is relatively high. On the other hand, general metal elements excluding noble metals are metal-bonding elements, and the activation energy of chemical reaction is relatively small, and it is relatively easy to form a compound with other elements. This means that a thin film device having a metal element has a lower activation energy for a chemical reaction, that is, a redox reaction, and a higher reaction rate than a silicon device. In the rapid progress of the oxidation-reduction reaction that causes deterioration of the thin film element, this activation energy is supplied by an applied electric field or the like, but this activation energy is small, and the oxidation-reduction reaction proceeds even with a relatively small electric field strength. Furthermore, it means that the reaction rate is increased even with the same electric field strength. Therefore, a device having a structure in which an electric field is applied to a metal oxide film or the like, for example, a high-capacity compound dielectric capacitor or a piezoelectric thin film element, Deterioration is faster than. In particular, in a thin film capacitor having a dielectric layer covered with a protective film manufactured by a conventional technique, a load life in a moisture is shorter than that of a silicon device. Regarding the electric field strength, the value necessary for the operation of the element is determined regardless of the moisture resistant load life, and therefore it is basically impossible to secure the moisture resistant load life by reducing this value. Therefore, a measure that can be taken for ensuring the moisture resistant load life is to reduce the transmittance of external factors such as water molecules of the protective film.
保護膜の透過率を小さくする方法としては、水分子等の外的要因の通過経路となっている、膜中の酸素と珪素の結合が形成されていない結合欠陥部位を塞ぐ方法が一般的である。結合欠陥部位を塞ぐ方法としては、不純物の混入を利用する場合が多い。例えば、炭素と水素を含む原料ガスを用いて成膜を行なうMOCVD(金属有機物CVD法)で作製された二酸化珪素膜がシリコンデバイスの保護膜作製に多く用いられているのも、この効果を利用しているためである。MOCVD法では、水素及び炭素が膜中に混入し、結合欠陥を塞ぐ役割を担っていると考えられている。 As a method of reducing the transmittance of the protective film, a method of closing a bond defect site in which a bond between oxygen and silicon in the film, which is a passage route of external factors such as water molecules, is blocked is common. is there. In many cases, impurities are mixed in as a method for closing the bonding defect site. For example, the silicon dioxide film produced by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), which uses a source gas containing carbon and hydrogen, is often used to produce a protective film for silicon devices. It is because it is doing. In the MOCVD method, it is considered that hydrogen and carbon are mixed in the film and play a role of closing bonding defects.
また、この効果を意図的に狙って、様々な添加剤を加える方法が考案されている。例えば、フッ素をSiO2に添加したフッ素添加酸化珪素膜を保護膜に用いることで解決を図る方法がある(例えば、特許文献1を参照。)。この解決方法では、SiOF(酸化フッ化珪素)膜が形成され、フッ素を添加しない二酸化珪素膜よりも透過率を小さくできることを特徴としている。
しかしながら、この方法では、原料ガスが有機金属化合物ではないために、形成された二酸化珪素膜中の水素及び炭素濃度が、MOCVD法で作製した二酸化珪素膜より大幅に小さくなることが問題となる。水素及び炭素濃度が低いと、逆に、水分子等の外的要因の透過率が増加することにつながるからである。 However, in this method, since the source gas is not an organometallic compound, there is a problem that the hydrogen and carbon concentrations in the formed silicon dioxide film are significantly smaller than those of the silicon dioxide film produced by the MOCVD method. This is because, when the hydrogen and carbon concentrations are low, the transmittance of external factors such as water molecules increases.
また、この成膜方法では、フッ素原子が酸素原子を置換することが予想され、新たに結合欠陥を生成してしまう可能性が高い。また、多くのフッ素原子を膜中に入れることは、デバイスに用いられている材料のフッ化物が形成される危険性を考慮すると好ましくない。また、水素は、フッ素の存在下ではフッ化水素をつくって膜中より脱離する傾向にあるので、さらに膜中水素濃度が低下する恐れがある。したがってフッ素をさらに増加させて効果を増やすことは不可能である。つまり、この解決方法では、水分子等の外的要因の透過率を小さくするという目的に対しては最適ではなく、透過率の低減も不十分であると言わざるをえない。 Further, in this film forming method, it is expected that a fluorine atom replaces an oxygen atom, and there is a high possibility that a new bond defect is generated. In addition, it is not preferable to put many fluorine atoms in the film in consideration of the risk of forming a fluoride of the material used in the device. Further, since hydrogen tends to be desorbed from the film by forming hydrogen fluoride in the presence of fluorine, the hydrogen concentration in the film may further decrease. Therefore, it is impossible to increase the effect by further increasing fluorine. In other words, this solution is not optimal for the purpose of reducing the transmittance of external factors such as water molecules, and it must be said that the transmittance is not sufficiently reduced.
本発明は、上述の問題点に鑑みて案出されたものであり、その主目的は、保護膜の改質により、水分子等の外的要因の透過率をより小さくすることである。そのためには、従来技術であるMOCVD法による二酸化珪素膜の利点を有すると同時に、上記特許文献1に開示されているフッ素添加と同様の効果を実現できる新たな方法が求められる。すなわち、不純物が結合欠陥を埋めて水分子等の外的要因の透過経路を塞いでいる効果を大きく損ねることなく、上記特許文献1に開示されているフッ素添加による効果を同時に発揮させることである。そのためには、添加剤の導入によっても、膜中から大きく減少しない不純物が必要となる。この観点からみると、水素はフッ素導入により膜中より脱離する傾向にあるので、フッ素を導入する母材となる薄膜材料としては、水素のみを不純物として有する二酸化珪素膜では不適であるため、好適な不純物を有する二酸化珪素膜が求められる。そして、その膜中に、その不純物濃度を低下させることなくフッ素を導入できる成膜方法が求められる。 The present invention has been devised in view of the above-described problems, and its main purpose is to reduce the transmittance of external factors such as water molecules by modifying the protective film. For this purpose, there is a demand for a new method that has the advantages of the silicon dioxide film formed by the MOCVD method, which is the prior art, and that can achieve the same effect as the fluorine addition disclosed in Patent Document 1. In other words, the effect of fluorine addition disclosed in Patent Document 1 is exhibited at the same time without significantly impairing the effect of impurities filling the bond defects and blocking the permeation path of external factors such as water molecules. . For this purpose, impurities that do not greatly decrease from the film even when the additive is introduced are required. From this point of view, since hydrogen tends to be desorbed from the film by introducing fluorine, a silicon dioxide film having only hydrogen as an impurity is not suitable as a thin film material serving as a base material into which fluorine is introduced. A silicon dioxide film having suitable impurities is required. There is a need for a film formation method that can introduce fluorine into the film without reducing the impurity concentration.
本発明は、MOCVD法で作製された二酸化珪素膜の利点を維持しつつ、意図的に添加剤を加えて、さらなる水分子等の外的要因の透過率の低減をめざすことを目的とする。また、こうして作製される二酸化珪素膜を耐湿保護膜に用いることにより、デバイスに到達する水分子等の外的要因の低減が実現され、薄膜コンデンサの動作に必要な誘電体層への印加電圧を下げることなく、耐湿負荷寿命を長くすることを目的とする。さらに、シリコンデバイスよりも湿中劣化の速い金属酸化物が機能素子領域に有する薄膜コンデンサにおいても、従来技術による耐湿保護膜を有するシリコンデバイスと同レベルの耐湿信頼性寿命を確保することを目的とする。 An object of the present invention is to further reduce the transmittance of external factors such as water molecules by intentionally adding an additive while maintaining the advantages of a silicon dioxide film produced by MOCVD. In addition, by using the silicon dioxide film thus produced as a moisture-resistant protective film, it is possible to reduce external factors such as water molecules reaching the device, and to apply an applied voltage to the dielectric layer necessary for the operation of the thin film capacitor. The purpose is to extend the moisture resistance life without lowering. Furthermore, it aims to ensure the same moisture-resistant reliability life as a silicon device having a moisture-resistant protective film according to the prior art, even in a thin film capacitor having a functional oxide region in which a metal oxide that is more rapidly deteriorated in moisture than a silicon device. To do.
上記目的を達成するために、本発明の薄膜コンデンサは、基体と、該基体の上に形成された金属酸化物からなり、電圧が印加される誘電体層と、該誘電体層を気密に覆っている、二酸化珪素を主成分とする保護膜とを有しており、前記二酸化珪素は、珪素元素に対する酸素元素の組成比が定比であり、微量成分としてフッ素元素および炭素元素を2.0×1020原子/cm3以上含み、前記二酸化珪素に含まれているフッ素元素は、前記炭素元素に比べて含有量が多くなっている。ここで、定比とは、O/Si比で2.0±0.1の範囲にあるものとする。
In order to achieve the above object, a thin film capacitor of the present invention comprises a substrate , a metal oxide formed on the substrate, a dielectric layer to which a voltage is applied, and the dielectric layer covered hermetically. and that has a protective film composed mainly of silicon dioxide, the silicon dioxide is a composition ratio of oxygen element against the elemental silicon stoichiometric, elemental fluorine and carbon element as a minor component wherein 2.0 × 10 20 atoms / cm 3 or more, fluorine element contained in the silicon dioxide, are increasingly content than that of the carbon element. Here, the constant ratio is an O / Si ratio in the range of 2.0 ± 0.1.
さらに、前記微量成分として、炭素を2.0×1020原子/cm3以上含むことを特徴とする。 Furthermore, carbon is contained as a trace component in an amount of 2.0 × 10 20 atoms / cm 3 or more.
この保護膜の具体的な製造には、原料ガスに有機金属化合物を用いることで、MOCVD法による利点を生かしている。これにより、二酸化珪素膜中には水素と炭素が導入される。さらに、フッ素含有ガスを原料ガスに添加することで、二酸化珪素膜中へのフッ素導入を行なっている。 In the specific production of the protective film, an organic metal compound is used as a source gas, thereby taking advantage of the advantages of the MOCVD method. Thereby, hydrogen and carbon are introduced into the silicon dioxide film. Furthermore, fluorine is introduced into the silicon dioxide film by adding a fluorine-containing gas to the source gas.
従来では、フッ素が一部の酸素を置換してSiOF膜を形成し、新たな結合欠陥を生成してしまうという危険性が高いのに対し、本発明によるフッ素導入方法では、酸素と珪素の比率を定比=2に保つことが可能である。さらに、本発明では、炭素が二酸化珪素膜中に存在している。炭素は、水素に比べてフッ素の存在下でも脱離が比較的少なく、濃度減少が小さい。一方、水素は、金属酸化物を還元し、コンデンサの特性を劣化させる危険性があるため、金属酸化物を含有するコンデンサにとっては、水素濃度は低い方が好ましい。これらのことから、炭素が一定以上含まれている状態に保つことが必要である。フッ素を添加しないMOCVD法で作製した二酸化珪素膜に対して、炭素濃度が減少していないことが、MOCVD法の利点を減じないために必要である。その上で、フッ素含有ガスを用いて、炭素を含む二酸化珪素膜中にフッ素を導入し、炭素では埋めきれていない結合欠陥を埋めている。 Conventionally, fluorine has a high risk of substituting part of oxygen to form a SiOF film and generate a new bond defect, whereas in the fluorine introduction method according to the present invention, the ratio of oxygen to silicon is high. Can be kept at a constant ratio = 2. Furthermore, in the present invention, carbon is present in the silicon dioxide film. Carbon is relatively less desorbed in the presence of fluorine than hydrogen, and its concentration decrease is small. On the other hand, hydrogen has a risk of reducing the metal oxide and degrading the characteristics of the capacitor. Therefore, it is preferable for the capacitor containing the metal oxide to have a low hydrogen concentration. For these reasons, it is necessary to maintain a state where carbon is contained in a certain amount or more. In order not to reduce the advantage of the MOCVD method, it is necessary that the carbon concentration is not reduced with respect to the silicon dioxide film manufactured by the MOCVD method without adding fluorine. Then, fluorine is introduced into the silicon dioxide film containing carbon using a fluorine-containing gas to fill bond defects that are not filled with carbon.
本発明は、以上説明した二酸化珪素を主成分とする薄膜よりなる耐湿保護膜であって、含有不純物としてフッ素および炭素が一定濃度存在することを特徴とする耐湿保護膜である。好ましくは、膜厚が1.0〜3.0μmである。 The present invention is a moisture-resistant protective film composed of a thin film mainly composed of silicon dioxide as described above, wherein fluorine and carbon are present at a constant concentration as impurities contained. Preferably, the film thickness is 1.0 to 3.0 μm.
また、本発明は、基体上に薄膜層が積層されて形成される薄膜素子であって、その保護膜として、上記耐湿保護膜が用いられている薄膜コンデンサである。さらに、上記薄膜素子は金属酸化膜層を含み、該金属酸化膜に電界が印加される構造を有することを特徴とする薄膜コンデンサである。さらに、上記金属酸化物層の主成分金属がPb,Ti,Zr,Ba,Sr,Mg,Nbのいずれか1種以上の元素を含むことを特徴とする薄膜コンデンサである。さらには、上記薄膜素子外縁部で、該耐湿保護膜と該基体が密着して完全に該薄膜素子を封止する構造を有している。さらに好ましくは、上記薄膜素子の表面の凹凸が、該耐湿保護膜の膜厚以下であって、該薄膜素子を構成する薄膜層のパターン側面が完全に該耐湿保護膜層に埋まる構造を有している薄膜コンデンサである。 Further, the present invention is a thin film capacitor formed by laminating a thin film layer on a substrate, and the thin film capacitor using the moisture-resistant protective film as a protective film. Furthermore, the thin film element includes a metal oxide film layer, and has a structure in which an electric field is applied to the metal oxide film. Further, the thin film capacitor is characterized in that the main component metal of the metal oxide layer contains one or more elements of Pb, Ti, Zr, Ba, Sr, Mg, and Nb. Furthermore, the moisture-resistant protective film and the substrate are in close contact with each other at the outer edge portion of the thin film element to completely seal the thin film element. More preferably, the thin film element has a structure in which irregularities on the surface of the thin film element are equal to or less than the film thickness of the moisture resistant protective film, and a pattern side surface of the thin film layer constituting the thin film element is completely buried in the moisture resistant protective film layer. It is a thin film capacitor.
本発明では、従来技術による、二酸化珪素を主成分とする耐湿保護膜の耐湿遮蔽性を向上させるために、二酸化珪素中にフッ素を導入することで、水分子等の外的要因の透過率を低下させる効果をもたらしている。これにより、高電界のかかる金属酸化物膜を有する薄膜コンデンサであっても、シリコンデバイスと同等の十分な耐湿負荷寿命を実現している。 In the present invention, in order to improve the moisture shielding property of the moisture-resistant protective film mainly composed of silicon dioxide according to the prior art, by introducing fluorine into silicon dioxide, the transmittance of external factors such as water molecules can be reduced. Has the effect of reducing. As a result, even a thin film capacitor having a metal oxide film with a high electric field achieves a sufficient moisture resistance load life equivalent to that of a silicon device.
この二酸化珪素を主成分とする耐湿保護膜では、膜中にある結合欠陥等が水分子等の外的要因を透過させるパスを形成している。従来技術であっても、成膜時に混入してしまう不純物元素により、この結合欠陥はある程度終端、解消され、水分子等の外的要因の透過率を下げている。先に述べたように、MOCVD法で作られた二酸化珪素膜の耐湿遮蔽性が優れているのは、成膜時に用いられる成膜原料ガス中の水素や炭素等がすでに混入しているためである。 In the moisture-resistant protective film mainly composed of silicon dioxide, a bond defect or the like in the film forms a path that allows external factors such as water molecules to pass through. Even in the prior art, this bonding defect is terminated and eliminated to some extent by an impurity element mixed during film formation, and the transmittance of external factors such as water molecules is lowered. As mentioned earlier, the silicon dioxide film made by MOCVD has excellent moisture resistance because it is already mixed with hydrogen, carbon, etc. in the film-forming source gas used during film formation. is there.
本発明では、この不純物混入の効果を積極的に利用し、意図的に特定元素を混入させることで、結合欠陥の終端、解消を促進させ、水分子等の外的要因の透過率を低下させようとするものである。導入する元素は、珪素との反応性が高く、容易に結合をつくるもの、耐湿保護膜が被覆する薄膜素子特性に悪影響を及ぼさないものである必要がある。薄膜素子中または薄膜素子作製プロセス中に存在している元素が好ましい。これらのことから、薄膜加工プロセスで使用させており、シリコンとの反応性の高いフッ素を導入元素としている。フッ素は酸素よりもシリコンとの反応性が高いので、酸素と反応できずに結合欠陥となっている部位とも結合し、結合欠陥を終端、解消できる。デバイスに用いられている元素と反応してしまう危険性は否定できないが、従来技術による薄膜加工プロセスで用いられているレベルの濃度であれば問題はないと考えられる。また、不純物として存在している水素や炭素についても、結合欠陥の終端、解消を担っているため、一定濃度で二酸化珪素中に存在している必要がある。特に炭素は、フッ素の存在下でも膜中に安定して存在し、比較的高濃度であるため、結合欠陥の終端、解消にとっては重要な元素である。したがって、その濃度が低下してしまうことは避けなければならない。 In the present invention, the effect of mixing impurities is actively used, and specific elements are intentionally mixed to promote termination and elimination of bond defects and reduce the transmittance of external factors such as water molecules. It is about to try. The element to be introduced must have high reactivity with silicon, easily form a bond, and do not adversely affect the characteristics of the thin film element covered by the moisture-resistant protective film. Elements present in the thin film element or in the thin film element fabrication process are preferred. For these reasons, fluorine is used in the thin film processing process, and fluorine having high reactivity with silicon is used as the introduced element. Since fluorine has a higher reactivity with silicon than oxygen, it can also bond to sites that are not capable of reacting with oxygen and become bond defects, and the bond defects can be terminated and eliminated. Although the risk of reacting with the elements used in the device cannot be denied, there is no problem as long as the concentration is at the level used in the thin film processing process according to the prior art. Further, hydrogen and carbon existing as impurities are also responsible for terminating and eliminating bond defects, and therefore must be present in silicon dioxide at a constant concentration. In particular, carbon is a stable element in the film even in the presence of fluorine, and has a relatively high concentration. Therefore, carbon is an important element for terminating and eliminating bond defects. Therefore, it must be avoided that the concentration decreases.
このようにして、フッ素を導入された二酸化珪素膜の水分子等の外的要因の透過率は低下し、被覆されている薄膜素子に到達する水分子等の外的要因の量が少なくなる。そのため、金属酸化膜層において、耐湿保護膜を透過した水分子等の外的要因の濃度が、印加された電界により酸化還元反応が急速に進み始めるのに必要な濃度に到達する時間が長くなる。その結果、破壊が生じ始めるまでの時間が長くなり、耐湿負荷試験での寿命を伸ばすことができる。 In this way, the transmittance of external factors such as water molecules of the silicon dioxide film into which fluorine has been introduced is lowered, and the amount of external factors such as water molecules reaching the coated thin film element is reduced. Therefore, in the metal oxide film layer, it takes a long time for the concentration of external factors such as water molecules that have passed through the moisture-resistant protective film to reach the concentration necessary for the oxidation-reduction reaction to proceed rapidly by the applied electric field. . As a result, the time until breakdown starts to occur becomes longer, and the life in the moisture resistance load test can be extended.
本発明の薄膜コンデンサによれば、基体上に形成された金属酸化物からなり、電圧が印加される誘電体層を、二酸化珪素を主成分とする保護膜により気密に覆ってなる薄膜コンデンサであって、前記二酸化珪素のSi(珪素)に対するO(酸素)の組成比が定比であり、微量成分としてフッ素を2.0×1020原子/cm3以上を含むことを特徴とする。これにより、水分子等の外的要因の透過率を減少させ、優れた遮蔽性を示し、誘電体層を保護膜で実に保護することができるので、信頼性のきわめて高い薄膜コンデンサを提供できる。 According to the thin film capacitor of the present invention, the thin film capacitor is made of a metal oxide formed on a substrate, and a dielectric layer to which a voltage is applied is hermetically covered with a protective film mainly composed of silicon dioxide. The composition ratio of O (oxygen) to silicon (Si) in the silicon dioxide is a constant ratio, and fluorine is contained as a trace component in an amount of 2.0 × 10 20 atoms / cm 3 or more. As a result, the transmittance of external factors such as water molecules can be reduced, excellent shielding properties can be exhibited, and the dielectric layer can be actually protected by the protective film, so that a highly reliable thin film capacitor can be provided.
さらに、フッ素と同様な挙動を示すものと思われる炭素を所定量(2.0×1020原子/cm3)以上含むことにより、このような遮蔽性を悪化させる酸素比率の低下や膜中の炭素濃度低下を極力防止することができる。これにより、誘電体層を含む機能素子領域の耐湿性をより大きく向上させ、耐湿負荷寿命をよりいっそう増加させることが可能となる。ここで、特に機能素子領域表面の凹凸よりも保護膜の膜厚を大きくすることで、上記の優れた耐湿遮蔽性をさらによく発揮することができる。 Furthermore, by containing a predetermined amount (2.0 × 10 20 atoms / cm 3 ) or more of carbon that seems to exhibit the same behavior as fluorine, the oxygen ratio is lowered and the carbon concentration in the film is deteriorated. Reduction can be prevented as much as possible. Thereby, it is possible to greatly improve the moisture resistance of the functional element region including the dielectric layer and further increase the moisture resistance load life. Here, the above-described excellent moisture-proof shielding property can be further exhibited particularly by increasing the film thickness of the protective film rather than the unevenness on the surface of the functional element region.
また、本発明の薄膜コンデンサは、前記機能素子領域は誘電体層を含むことを特徴とするので、従来の耐湿保護膜を用いた場合に比べて水分子等の外的要因をより効果的に遮蔽することができ、長期信頼性に優れた薄膜コンデンサを提供できる。 In addition, the thin film capacitor of the present invention is characterized in that the functional element region includes a dielectric layer, so that external factors such as water molecules are more effectively applied than when a conventional moisture-resistant protective film is used. A thin film capacitor that can be shielded and has excellent long-term reliability can be provided.
以下に、本発明の薄膜コンデンサについて図面を参照にしつつ詳細に説明する。まず、耐湿保護膜について詳説する。本発明による二酸化珪素膜中へのフッ素の導入は、二酸化珪素膜の成膜時の原料ガスにテトラフルオロカーボン(CF4)ガスを導入することで実現している。二酸化珪素膜の形成は、テトラエトキシシラン(TEOS)と酸素を原料ガスとして用いたMOCVD法で作製しており、この原料ガス中にCF4ガスを導入している。直径20cmの電極板上に試料を静置し、平行平板型プラズマ中で成膜を行なっている。作製された二酸化珪素膜試料の組成分析には、二次イオン質量分析法やラザフォード後方散乱法を用いている。 The thin film capacitor of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. First, the moisture resistant protective film will be described in detail. The introduction of fluorine into the silicon dioxide film according to the present invention is realized by introducing tetrafluorocarbon (CF 4 ) gas into the raw material gas when forming the silicon dioxide film. The silicon dioxide film is formed by MOCVD using tetraethoxysilane (TEOS) and oxygen as source gases, and CF 4 gas is introduced into this source gas. A sample is placed on an electrode plate having a diameter of 20 cm, and film formation is performed in parallel plate plasma. Secondary ion mass spectrometry or Rutherford backscattering is used for composition analysis of the produced silicon dioxide film sample.
耐湿負荷試験には、チタン酸バリウムストロンチウム((Ba,Sr)TiO3;以下、BSTという。)、チタン酸ジルコニウム酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3;以下、PZTという。)、ニオブ酸マグネシウム酸鉛(Pb(Mg1/3,Nb2/3)O3;以下、PMNという。)をそれぞれ誘電体層に用いた薄膜コンデンサを用いて行なっている。 In the moisture resistance load test, barium strontium titanate ((Ba, Sr) TiO 3 ; hereinafter referred to as BST), lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ; hereinafter referred to as PZT), niobic acid. This is performed by using a thin film capacitor in which lead magnesium acid (Pb (Mg 1/3 , Nb 2/3 ) O 3 ; hereinafter referred to as PMN) is used as a dielectric layer.
図4は、この薄膜コンデンサの断面図を示したものである。この薄膜コンデンサは、Al2O3を主成分とするサファイアの基体41上に、機能素子領域であるコンデンサ素子が形成されている。このコンデンサ素子は、本発明による保護膜46により完全に被覆されており、誘電体層42の上下面に電極層を形成して構成されている。そして、上記保護膜に、それが被覆しているコンデンサ素子の上部電極層44及び下部電極層42に接続する端子電極層(45a,45b)の一部が露出するように貫通孔が形成されている。これらの貫通孔内に露出した端子電極層45aには、例えば、Niからなるハンダバリア層が形成されている。このハンダバリア層上に、例えば、半田バンプからなる外部端子が形成されることになる。このように、本発明の薄膜コンデンサは、基体41上に形成され電圧が印加される金属酸化物からなる誘電体層42を、二酸化珪素を主成分とする保護膜46で気密に覆ってなる薄膜コンデンサであり、二酸化珪素のSi(珪素)に対するO(酸素)の組成比が定比であり、微量成分としてフッ素を2.0×1020原子/cm3以上を含む薄膜コンデンサとしている。
FIG. 4 shows a sectional view of this thin film capacitor. In this thin film capacitor, a capacitor element, which is a functional element region, is formed on a
以下に、薄膜コンデンサ各層について説明する。まず、コンデンサの電極層の材料としては、金(Au)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、銅(Cu)、銀(Ag)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)薄膜等があるが、これらのうちでも反応性が小さく、酸化されにくい金(Au)や白金(Pt)薄膜が最適である。成膜方法はPVD法とする。ハンダバリア層も同様の材料、成膜方法で作製する。そして誘電体層は、先に述べた、BST、PZT、PMNのいずれかを用いている。膜厚は0.3〜0.5μmで、PVD法、CVD法、ゾルゲル法等の公知の方法により作製される。これらの材料を用いて、基体41上に、下部電極層42、誘電体層43、上部電極層44、端子電極層(45a,45b)、の順に形成してコンデンサ素子を作製する。各層のパターン形成は、薬品溶解によるウェットエッチング法や反応性ガスのプラズマによるRIE(反応性イオンエッチング)法等の公知な方法で薄膜加工を行なう。
Hereinafter, each layer of the thin film capacitor will be described. First, as the material of the capacitor electrode layer, gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), copper (Cu), silver (Ag), titanium (Ti), chromium (Cr), nickel (Ni) Although there are thin films and the like, among these, a gold (Au) or platinum (Pt) thin film that has low reactivity and is difficult to be oxidized is optimal. The film forming method is a PVD method. The solder barrier layer is also produced by the same material and film formation method. The dielectric layer uses any of BST, PZT, and PMN described above. The film thickness is 0.3 to 0.5 μm, and it is produced by a known method such as a PVD method, a CVD method, or a sol-gel method. Using these materials, a capacitor element is fabricated by forming a
このようにして作製したコンデンサ素子上に、本発明による二酸化珪素の耐湿保護膜を形成する。従来技術による二酸化珪素の保護膜は、ゾルゲル法、RFスパッタ法、CVD法、ECRスパッタ法等の公知の方法で作製されるが、本発明における成膜プロセスではCF4ガスを用いることから先に述べたMOCVD法を使用する。この二酸化珪素の保護膜46は、上記コンデンサ素子を完全に被覆するように作製される。そして、フォトリソグラフ工程及びRIE処理により、二酸化珪素の保護膜46に外部端子接続用の貫通孔を形成した。この貫通孔の底部には、上部、下部電極用の端子電極層が露出している。この貫通孔を除けば、コンデンサ素子は完全に二酸化珪素の保護膜46で被覆される。そして、貫通孔直下には誘電体層43は存在しないため、誘電体層43は二酸化珪素の保護膜46により、完全に被覆されることになる。
A silicon dioxide moisture-resistant protective film according to the present invention is formed on the capacitor element thus produced. The silicon dioxide protective film according to the prior art is manufactured by a known method such as a sol-gel method, an RF sputtering method, a CVD method, an ECR sputtering method, etc., but the film formation process in the present invention uses CF 4 gas first. The described MOCVD method is used. The
最後に、この端子電極層上に半田バンプからなる外部端子電極を形成した後、ウェファーのダイシングを行なって個々の素子を切り出し、耐湿負荷耐性評価用ボードに実装する。耐湿負荷試験は、高温加圧下での加湿条件において、DCバイアス電圧を一定時間印加しつづけた後の、絶縁抵抗値の変化を調べる方法を採っている。 Finally, an external terminal electrode made of a solder bump is formed on this terminal electrode layer, and then wafer dicing is performed to cut out individual elements, which are mounted on a moisture resistance load resistance evaluation board. The moisture resistance load test employs a method of examining a change in the insulation resistance value after applying a DC bias voltage for a certain time under humidification conditions under high temperature and pressure.
かくして、本発明の薄膜コンデンサによれば、基体上に形成された金属酸化物からなり、電圧が印加される誘電体層を、二酸化珪素を主成分とする保護膜により気密に覆ってなる薄膜コンデンサにおいて、二酸化珪素のSi(珪素)に対するO(酸素)の組成比が定比であり、微量成分として後で詳述するようにフッ素を2.0×1020原子/cm3以上を含ませることで、水分子等の外的要因の透過率を減少させ、優れた遮蔽性を示し、誘電体層を保護膜で実に保護することができ、信頼性のきわめて高い薄膜コンデンサを提供できる。 Thus, according to the thin film capacitor of the present invention, the thin film capacitor is made of a metal oxide formed on the substrate, and the dielectric layer to which a voltage is applied is hermetically covered with the protective film mainly composed of silicon dioxide. In this case, the composition ratio of O (oxygen) to Si (silicon) of silicon dioxide is a constant ratio, and fluorine is contained as a trace component in an amount of 2.0 × 10 20 atoms / cm 3 or more as will be described in detail later. The transmittance of external factors such as water molecules can be reduced, excellent shielding properties can be exhibited, the dielectric layer can be actually protected by a protective film, and a highly reliable thin film capacitor can be provided.
さらに、フッ素と同様な挙動を示すものと思われる炭素を後記するように所定量(2.0×1020原子/cm3)以上含ませることにより、このような遮蔽性を悪化させる酸素比率の低下や膜中の炭素濃度低下を極力防止することができる。これにより、誘電体層を含む機能素子領域の耐湿性をより大きく向上させ、耐湿負荷寿命をよりいっそう増加させることが可能となる。ここで、特に機能素子領域表面の凹凸よりも保護膜の膜厚を大きくすることで、上記の優れた耐湿遮蔽性をさらによく発揮することができる。 Furthermore, by containing more than a predetermined amount (2.0 × 10 20 atoms / cm 3 ) of carbon, which is considered to exhibit the same behavior as fluorine, a reduction in the oxygen ratio that deteriorates such shielding properties, A decrease in carbon concentration in the film can be prevented as much as possible. Thereby, it is possible to greatly improve the moisture resistance of the functional element region including the dielectric layer and further increase the moisture resistance load life. Here, the above-described excellent moisture-proof shielding property can be further exhibited particularly by increasing the film thickness of the protective film rather than the unevenness on the surface of the functional element region.
また、本発明の薄膜コンデンサは、機能素子領域は誘電体層を含むことを特徴とするので、従来の耐湿保護膜を用いた場合に比べて水分子等の外的要因をより効果的に遮蔽することができ、長期信頼性に優れた薄膜コンデンサを提供できる。 In addition, the thin film capacitor of the present invention is characterized in that the functional element region includes a dielectric layer, so that external factors such as water molecules are more effectively shielded than when a conventional moisture-resistant protective film is used. Thus, a thin film capacitor with excellent long-term reliability can be provided.
以下に、本発明をより具体化した実施例について説明する。 Examples in which the present invention is further embodied will be described below.
まず、シリコンの4インチφ基体上に、従来技術による二酸化珪素膜と、本発明による二酸化珪素膜を作製した。成膜条件は、従来技術によるものが、基体温度が380℃、原料ガスの流量はTEOS:20sccm、酸素:234sccm、成膜時の圧力は80Pa、RF電力200Wであった。本発明による試料は、この条件に加えて、原料ガス中にCF4ガスを導入している。CF4ガスの流量は、2〜6sccmで変化させた。いずれも、膜厚2μmの試料を作製した。 First, a silicon dioxide film according to the prior art and a silicon dioxide film according to the present invention were formed on a 4-inch φ substrate of silicon. The film formation conditions were those according to the prior art. The substrate temperature was 380 ° C., the flow rate of the source gas was TEOS: 20 sccm, oxygen: 234 sccm, the pressure during film formation was 80 Pa, and the RF power was 200 W. In addition to this condition, the sample according to the present invention introduces CF 4 gas into the raw material gas. The flow rate of CF 4 gas was varied from 2 to 6 sccm. In either case, a sample having a thickness of 2 μm was prepared.
次に、こうして作製した二酸化珪素膜の組成分析を行なった。まず、主成分である酸素と珪素の比率については、ラザフォード後方散乱(RBS)スペクトル分析により測定を行なった。測定結果はO/Si比で、2.00〜2.01であり、定比の二酸化珪素膜であることが分かった。ただし、測定誤差として±5%程度見込まれることから、組成比の可能性としては、2.0±0.1の範囲にあることになる。次に、この二酸化珪素膜中の不純物濃度分析を行なった。測定対象の元素は、水素、炭素、フッ素である。これらは、原料ガスからの混入が予想されるためである。不純物元素の組成分析には、Dynamic型のSIMS(2次イオン質量スペクトル分析)を用いた。 Next, composition analysis of the silicon dioxide film thus produced was performed. First, the ratio of oxygen and silicon, which are main components, was measured by Rutherford backscattering (RBS) spectrum analysis. The measurement results were O / Si ratios of 2.00 to 2.01, indicating that the silicon dioxide film had a constant ratio. However, since a measurement error of about ± 5% is expected, the possibility of the composition ratio is in the range of 2.0 ± 0.1. Next, an impurity concentration analysis in the silicon dioxide film was performed. The elements to be measured are hydrogen, carbon, and fluorine. This is because contamination from the raw material gas is expected. Dynamic SIMS (secondary ion mass spectrum analysis) was used for the compositional analysis of the impurity elements.
図1は本発明で作製した二酸化珪素の保護膜中のフッ素、炭素の濃度分析の結果である。CF4ガスの流量が4sccmの時のデータを示す。図2には、従来技術による二酸化珪素の保護膜中のフッ素、炭素の濃度を示す。横軸は保護膜表面から膜厚方向に向かっての距離であり、いずれの場合も、膜厚方向に対し濃度変動が見られないことが分かる。両者を比較すると、本発明による保護膜中のフッ素濃度が、平均4.8×1020原子/cm3であるのに対し、従来技術による二酸化珪素の保護膜中のフッ素濃度は平均0.9×1020原子/cm3であり、フッ素濃度に有意差が生じていることが分かる。CF4ガスの導入により、意図したとおり、膜中にフッ素が高濃度に導入されていることが分かる。 FIG. 1 shows the result of concentration analysis of fluorine and carbon in the protective film of silicon dioxide produced in the present invention. Data when the flow rate of CF 4 gas is 4 sccm is shown. FIG. 2 shows the concentrations of fluorine and carbon in the silicon dioxide protective film according to the prior art. The horizontal axis is the distance from the surface of the protective film toward the film thickness direction, and it can be seen that in any case, no concentration fluctuation is observed in the film thickness direction. Comparing the two, the fluorine concentration in the protective film according to the present invention is an average of 4.8 × 10 20 atoms / cm 3 , whereas the fluorine concentration in the silicon dioxide protective film according to the prior art is an average of 0.9 × 10 20 atoms. / cm 3, and it can be seen that significant difference in fluorine concentration has occurred. It can be seen that the introduction of CF 4 gas introduces a high concentration of fluorine into the film as intended.
図3は、導入したCF4ガスの流量と膜中のフッ素濃度の関係を示したものである。明らかに、流量に比例して膜中濃度が増加していることがわかる。このことから、本発明で用いた方法により、保護膜中のフッ素濃度を制御することができる。一方、炭素濃度は、従来技術によるものに比べて大きな濃度減少は認められていない。本発明に拠る場合でも、炭素濃度は2.5±0.5×1020原子/cm3で、従来技術による場合の炭素濃度が4.0±0.5×1020原子/cm3であることから、有意な減少とは認められない。特許文献1に開示されているSiOF膜では、炭素は原料ガスに含まれず、水素濃度ですら1×1021原子/cm3よりもかなり小さいと記述されていることを考慮すると、本発明による保護膜では、炭素濃度は、特許文献1に開示されているSiOF膜に比べて非常に大きいと思われる。もちろん、炭素濃度の減少幅がより小さく、より多くの炭素を含むほうが好ましいことは言うまでもない。 FIG. 3 shows the relationship between the flow rate of the introduced CF 4 gas and the fluorine concentration in the film. Obviously, the concentration in the film increases in proportion to the flow rate. From this, the fluorine concentration in the protective film can be controlled by the method used in the present invention. On the other hand, the carbon concentration has not been greatly reduced compared to the prior art. Even in the case of the present invention, the carbon concentration is 2.5 ± 0.5 × 10 20 atoms / cm 3 , and the carbon concentration in the case of the prior art is 4.0 ± 0.5 × 10 20 atoms / cm 3. unacceptable. In the SiOF film disclosed in Patent Document 1, carbon is not included in the source gas, and even if the hydrogen concentration is described as being considerably smaller than 1 × 10 21 atoms / cm 3 , the protection according to the present invention is achieved. In the film, the carbon concentration seems to be much higher than that of the SiOF film disclosed in Patent Document 1. Of course, it is needless to say that the decrease in the carbon concentration is smaller and it is preferable to include more carbon.
次に、上記の不純物濃度が判明した保護膜を用いて、薄膜コンデンサを作製した。図4に作製したコンデンサ素子の断面図を示す。まず、基体41にはサファイアを用い、厚さ0.25mmの4インチφのウエハの形態である。この基体41上に形成される、コンデンサ素子を構成する材料には、下部電極層42にPt、上部電極層44にAu、端子電極層45にNiを用い、誘電体層43には、BST,PZT,PMNをそれぞれ用いている。各層の形成方法について順を追って説明していく。
Next, a thin film capacitor was manufactured using the protective film whose impurity concentration was found. FIG. 4 shows a cross-sectional view of the manufactured capacitor element. First, sapphire is used for the
まず、基体41上に下部電極層42の形成を行なった。成膜方法は直流スパッタ法で、基体41と下部電極層42の密着を高めるために、厚さ20〜30nmの極薄い酸化チタン膜を形成した後、Pt成膜を行なっている。スパッタ用ガスとしてプロセスチャンバー内にArガスを導入し、スパッタ成膜を行なった。膜厚は200nmである。引き続き、フォトリソグラフ工程及びArイオンを用いたイオンビーム加工により、下部電極パターンを形成し、下部電極層42を作製した。
First, the
次に、この下部電極層42上に、BST、PZT、PMNからなる誘電体層43をそれぞれ形成した。誘電体層43の形成には高周波マグネトロンスパッタ法を用いた。スパッタ用ガスとしてプロセスチャンバー内にArガスを導入し、真空排気により成膜圧力を6.7Paに維持し、基体−ターゲット間距離を60mmに固定した。基体ホルダーはヒータによる加熱機構を有している。基体ホルダーとターゲット間には外部の高周波電源により13.56MHzの高周波電圧を印可し、ターゲット背面に設置された永久磁石により形成されたマグネトロン磁界により、ターゲット近傍に高密度のプラズマを生成させてターゲット表面をスパッタし、対向する試料上に成膜を行なった。基体温度650℃、高周波電力200Wの条件で、膜厚は300nmである。誘電体層パターンの形成は、ウェットエッチング法を用いた。フォトリソグラフ工程によりマスクパターンを形成した後、HF+HNO3混合溶液によるエッチングを行ない、誘電体層43を形成した。
Next,
上部電極層44は、下部電極層42と同様に直流スパッタ法を用いて作製した。Auターゲットのスパッタにより、膜厚300nmのAu膜を形成した。フォトリソグラフ工程及びKI+I3溶液を用いたウェットエッチング工程により、上部電極パターンを形成し、上部電極層44を作製した。続いて、同じく直流スパッタ法によりNi膜、Au膜を形成し、端子電極層45を形成した。膜厚はNi層45aが1μm、Au層45bが0.1μmである。Ni層45aのパターン加工にもウェットエッチング法を用い、フォトリソグラフ工程によりマスクパターンを形成した後、HNO3溶液によるエッチングを行なった。Au層45bのパターン加工法は、上部電極層44形成方法と同様である。
The
続いて、こうして作製したコンデンサ素子を完全に被覆するように、二酸化珪素の保護膜46が形成された。成膜条件は前出のとおりで、膜厚は全て2μmであり、本発明による二酸化珪素耐湿保護膜には、原料ガスとしてCF4を2、4、6sccm加えたものをそれぞれ作製した。フォトリソグラフ工程によりマスクパターンを形成した後、CF4ガスを用いたRIE処理により、端子電極用貫通孔を形成した。したがって、端子電極45部分を除き、コンデンサ素子は二酸化珪素の保護膜46で完全に被覆された。
Subsequently, a
最後に、端子電極層(45a,46b)上に半田バンプからなる外部端子電極を形成した後、ウエハのダイシングを行なって個々の素子を切り出し、耐湿負荷耐性評価用ボードに実装した。 Finally, external terminal electrodes made of solder bumps were formed on the terminal electrode layers (45a, 46b), and then the wafer was diced to cut out individual elements and mounted on a board for evaluating moisture resistance load resistance.
こうして作製した薄膜コンデンサの耐湿負荷試験を、次のとおり実施した。試験内容は、121℃、1.7気圧、85%RH(USPCBT)の条件での耐湿加速試験である。目標とした耐湿寿命は、この加速試験条件で96時間に設定した。測定試料数はそれぞれ24個で、96時間後に絶縁抵抗が1MΩを下回ったものは劣化品(NG品)と判定した。
試験の結果、従来技術による試料では、試験開始後48時間〜96時間の間で絶縁劣化が発生し、50%以上の劣化を示した。その代表的な結果を表1に示す。これは、BST,PZT,PMNのいずれも同様の結果となった。一方、本発明による試料では、フッ素濃度が2×1020原子/cm3以上(CF44sccm以上)の試料では、96時間後でも劣化試料はゼロであった。こちらも、BST、PZT、PMNで同様の結果となり、基本的に誘電体の種類による差は認められなかった。図5にBSTを、図6にPZTを、図7にPMNをそれぞれ誘電体層43に用いた薄膜コンデンサで、二酸化珪素耐湿保護膜46中のフッ素濃度と96時間後の劣化率(=劣化試料数/総数)の関係を示す。従来技術による二酸化珪素膜中のフッ素濃度は1×1020原子/cm3程度であり、そのときの劣化率は80%を超えている。それに対し、本発明による二酸化珪素膜では、1×1020原子/cm3以上の膜中フッ素濃度を示し、劣化率が大きく低下していることが分かる。膜中フッ素濃度が閾値(=2×1020原子/cm3)以上の時には、劣化率がゼロであり、本発明による二酸化珪素耐湿保護膜の耐湿遮蔽性が十分に発揮されていることが分かる。
As a result of the test, in the sample according to the conventional technique, the insulation deterioration occurred between 48 hours and 96 hours after the start of the test, and the deterioration was 50% or more. The representative results are shown in Table 1. This was the same for all of BST, PZT, and PMN. On the other hand, in the sample according to the present invention, in the sample having a fluorine concentration of 2 × 10 20 atoms / cm 3 or more (CF 4 4 sccm or more), the deteriorated sample was zero even after 96 hours. Here, the same results were obtained with BST, PZT, and PMN, and basically no difference depending on the type of dielectric was recognized. 5 is a thin film capacitor using BST, FIG. 6 PZT, and FIG. 7 PMN as the
この実施例では、表面の凹凸が大きい試料を用いて、本発明の効果を検証した。試料は、CF4ガスを4sccm導入した本発明による二酸化珪素耐湿保護膜を用いたもので、端子電極層のNi膜の膜厚が、1.5、2.0、2.5、3.0μmの試料を作製した。実施例1と同じ耐湿負荷試験を行ない、劣化率の比較を行なった。図8にその結果を示す。Ni層の膜厚が2.0μm以下の試料では劣化率が0で、実施例1の結果と同じであるが、膜厚2.5μmの試料では約半数が、膜厚3.0μmの試料では約80%の試料が絶縁劣化しており、コンデンサ素子表面の段差高が耐湿性に影響していることが分かる。この結果からは、コンデンサ素子表面の最大段差高は二酸化珪素耐湿保護膜の膜厚以下であることが耐湿性を確保するための条件であることが分かる。 In this example, the effect of the present invention was verified using a sample having a large surface irregularity. The sample used was a silicon dioxide moisture-resistant protective film according to the present invention into which 4 sccm of CF 4 gas was introduced. Samples having Ni film thicknesses of 1.5, 2.0, 2.5, and 3.0 μm were prepared as terminal electrode layers. The same moisture resistance load test as in Example 1 was performed, and the deterioration rates were compared. FIG. 8 shows the result. The sample with a Ni layer thickness of 2.0 μm or less has a degradation rate of 0, which is the same as the result of Example 1, but about half of the sample with a thickness of 2.5 μm and about 80% for the sample with a thickness of 3.0 μm. It can be seen that the sample of this sample is deteriorated in insulation, and the height of the step on the capacitor element surface affects the moisture resistance. From this result, it is understood that the maximum height difference on the capacitor element surface is equal to or less than the thickness of the silicon dioxide moisture-resistant protective film, which is a condition for ensuring moisture resistance.
かくして、本発明による二酸化珪素膜は、膜中にフッ素を導入することにより、水分子等の外的要因の透過率を減少させ、優れた遮蔽性を示した。さらに、該遮蔽性を悪化させる酸素比率の低下や膜中の炭素濃度低下が生じさせないようにした。本発明による二酸化珪素膜を耐湿保護膜として用いることで、機能素子領域の耐湿性を大きく向上させ、耐湿負荷寿命を増加させることが可能となる。さらに、機能素子領域の表面の凹凸よりも耐湿保護膜の膜厚を大きくすることで、上記の優れた耐湿遮蔽性を十分に発揮することができた。 Thus, the silicon dioxide film according to the present invention exhibited excellent shielding properties by reducing the transmittance of external factors such as water molecules by introducing fluorine into the film. Furthermore, the oxygen ratio and the carbon concentration in the film were not reduced, which deteriorates the shielding property. By using the silicon dioxide film according to the present invention as a moisture-resistant protective film, it becomes possible to greatly improve the moisture resistance of the functional element region and increase the moisture-resistant load life. Furthermore, by making the film thickness of the moisture-resistant protective film larger than the irregularities on the surface of the functional element region, the above-described excellent moisture-shielding property could be sufficiently exhibited.
さらに、本発明による耐湿遮蔽性に優れた二酸化珪素膜を耐湿保護膜に用いた薄膜コンデンサは、従来技術による耐湿保護膜を用いた場合に比べて水分子等の外的要因をより効果的に遮蔽することができた。したがって、本発明による二酸化珪素の耐湿保護膜を有する薄膜コンデンサは、長期信頼性に優れた特徴を有するものとなった。 Furthermore, the thin film capacitor using the silicon dioxide film having excellent moisture resistance shielding properties according to the present invention as the moisture resistant protective film is more effective for external factors such as water molecules than when the moisture resistant protective film according to the prior art is used. I was able to shield. Therefore, the thin film capacitor having the moisture-resistant protective film of silicon dioxide according to the present invention has a feature with excellent long-term reliability.
41:基体
42:下部電極層
43:誘電体層
44:上部電極層
45a:端子電極層(Ni層)
45b:端子電極層(Au層)
46:保護膜
41: Base
42: Lower electrode layer
43: Dielectric layer
44: Upper electrode layer
45a: Terminal electrode layer (Ni layer)
45b: Terminal electrode layer (Au layer)
46: Protective film
Claims (1)
該基体の上に形成された金属酸化物からなり、電圧が印加される誘電体層と、
該誘電体層を気密に覆っている、二酸化珪素を主成分とする保護膜とを有しており、
前記二酸化珪素は、珪素元素に対する酸素元素の組成比が定比であり、微量成分としてフッ素元素および炭素元素を2.0×1020原子/cm3以上含み、
前記二酸化珪素に含まれているフッ素元素は、前記炭素元素に比べて含有量が多くなっている薄膜コンデンサ。
A substrate ;
A metal oxide formed on the base body, and a dielectric layer to which a voltage is applied,
The dielectric material layer covering airtightly has a protective film composed mainly of silicon dioxide,
The silicon dioxide is a composition ratio of oxygen element against the elemental silicon stoichiometric comprises elemental fluorine and carbon element 2.0 × 10 20 atoms / cm 3 or more as a minor component,
The thin film capacitor in which the fluorine element contained in the silicon dioxide is higher in content than the carbon element .
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