JPS5942966B2 - 薄膜コンデンサの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は薄膜コンデンサに関し持に耐熱性の優れたタン
タル薄膜コンデンサの製造方法に関するものである。

タンタル薄膜による混成集積回路（以下ＨｙＩＣと称す
る）は、タンタルを用いると同一材料により抵抗とコン
デンサが形成できるという両立性と、得られたこれら素
子が極めて安定で高信頼度を有しているために、通信機
器を中心に実用されているものである。

しかしながら、これら利点を有しているにもかかわらず
通信機器以外の分野では特殊機器を除きあまり使用され
ていないのが現状である。

これはこれら分野の価格に対する要求が通信機器の場合
以上に厳しく採算が合わないためである。

このＨｙＩＣが高価である理由の１つは部品及び外部リ
ードの装着に低置な半田が使用できず、高価な他の熱圧
着等による方法によらなければならない点にある。

これはＨｙＩＣにタンタル薄膜コンデンサを含む場合に
このコンデンサが半田付のための温度に耐えられないた
めである。

従って半田付のための２５０℃以上の温度に耐えるタン
タル薄膜コンデンサの開発はＨｙＩＣ低価格化への課題
として急がれているものである。

さて、従来一般的に行なわれているタンタル系薄膜コン
デンサの製造方法は以下に示す通りである。

即ち先ずガラス、セラミック等絶縁基板上にスパッタ法
によりタンタル薄膜を形成する。

このスパッタによるタンタル薄膜はコンデンサ用として
は、得られるコンデンサの容量値、絶縁抵抗値、損失係
数（ｔａｎδ）等誘電体特性が優れ又製造に際しての再
現性や安定性が優れていることからベータタンタルと呼
ばれる種類のものが主として用いられている。

次にスパッタ法により形成したタンタル薄膜を周知の写
真食刻技術により任意のパターンに画成し、そのパター
ン上のコンデンサの誘電体とするべき表面部分を陽極酸
化し、誘電体としての五酸化タンタルに変え、さらにこ
れ迄の工程で得られた基体全面に金等から成る良導体金
属薄膜を形成し、再び写真食刻法によりこの良導体金属
薄膜の不要部分を食刻しコンデンサの電極パターンを画
成し、最終的にタンタル−五酸化タンタル（誘電体）−
良導体金属をこの順に積層した構造としての薄膜コンデ
ンサとするものである。

ところが以上に示した従来の工程で得たコンデンサは、
初期的には例えばＤＣ２５Ｖ印加時の絶縁抵抗値は１０
万ＭＱ以上又はＩＫＨｚＯバイアス時のｊａｎδ値は０
．２１％と優れた値であるのに、これを例えば３００℃
、１０分間の熱放置を行なうとそれぞれの特性は１０Ｍ
Ω以下及び１．４％と大きく劣化し、コンデンサとして
使用に耐えなくなる。

本発明の目的は、これ迄と同じ素材、たとえばベータタ
ンタルによる薄膜コンデンサであっても上述した様な熱
による特性劣化のない従って耐熱性の優れた薄膜コンデ
ンサの製造方法を提供するものである。

本発明は次の知見に基すいてなされている。

即ち、従来の製造方法によるコンデンサの誘電体は先に
述べた通り陽極酸化によりタンタル表面を五酸化タンタ
ルに変えこれを用いるのであるが、酸化直後にはこの五
酸化タンタル−タンタルの境界付近における酸素濃度分
布は第１図の曲線１の様に急激に減少する階段状になっ
ており、この状態のときコンデンサとして良好な特性を
示すものと考えられる。

この状態のものを高温中の放置すると五酸化タンタル中
の酸素がタンタル中へ熱拡散する結果、第１図の破線で
示した曲線２に示す如く同境界付近の酸素濃度分布はゆ
るやかな傾斜を持つ様になり、この酸素の拡散の量が多
ければ多い程コンデンサの特性劣化が大きいものと考え
られる。

従ってこの知見に基ずくと、耐熱性のあるコンデンサを
得るには熱に放置したときに五酸化タンタル中の酸素の
タンタル中への拡散がないかあっても微量であればよい
ことが分る。

すなわち本発明による薄膜コンデンサの製造方法は絶縁
基板上に弁作用を有する金属層を形成する工程と、この
金属層の所定部の表面を高温酸化性雰囲気にさらして金
属層の一部の厚さにわたって酸化物とする、あるいは酸
素を拡散せしめる工程と、しかる後肢所定部を陽極化成
して誘電体層とする工程を有することを特徴とする。

あるいは本発明による薄膜コンデンサの製造方法は、陽
極酸化により誘電体を形成し、タンタル誘電体−良導体
金属をこの順に積層した構造の薄膜コンデンサの製造方
法において前記陽極酸化に先立ち陽極酸化すべき部分を
酸化性雰囲気で高温熱処理を施すことを特徴とするもの
である。

かかる熱処理はタンタル等の金属層を表面から一部の厚
さにわたって酸素を拡散せしめる条件で行なわれれば良
く、例えばタンタルの場合は３００℃〜５７０℃の温度
範囲が好ましい。

以下本発明の実施例を第３図を参照して説明する。

先ず第３図ａに示す如くガラス、セラミツク等絶縁基板
１０上全面にタンタル系薄膜としてベータタンタルを約
５０００人スパッタ法により形成する。

次に通常行なわれている写真食刻技術により前記ベータ
タンタルの不要部分を食刻し去りコンデンサパターン１
１を画成する。

のコンデンサパターン１１は後の陽極酸化工程でその表
面に五酸化タンタル（誘電体）を形成する部分とコンデ
ンサの陽極電極の引き出し部分から成っている。

コンデンサパターン１１画成後回パターン上の前記コン
デンサの陽極電極の引き出し部分に後の熱処理工程で同
部分が酸化されるのを防ぐための酸化防止膜１２を形成
する。

この酸化防止膜１２はたとえば、アルミニウム、チタン
、ニクロム、金等の金属薄膜でも、二酸化シリコン、ボ
ロシリケートガラス等絶縁薄膜でも差支つかえないが、
後で除去する必要があるので、除去が容易で特に薬品に
より除去する場合、ベータタンタルが犯されない薬品が
使用できる材料が望ましく、この点でアルジニウムが便
利である。

酸化防止膜１２の形成が終ると、第３図すに示す如く前
記コンデンサパターン１１を高温熱処理する。

この熱処理は温度・時間及び雰囲気が重要な意味を持ち
、充分に耐熱性のあるコンデンサを得るためには、雰囲
気が空気又は酸素の場合処理温度が３５０℃以下では２
０時間程度の処理時間では目的を達することができず、
５７０℃を越えると５分間の短時間処理でも得られるコ
ンデンサの特性、特に損失係数（ｔａｎδ）が不満足の
値となることが分っている。

又雰囲気が水蒸気である場合は処理温度が３００℃程度
であっても時間が１０時間以上であれば効果があること
が分っている。

結局熱処理条件は、充分に耐熱性のあるコンデンサを得
るためには、この熱処理によりベータタンタル表面に充
分な膜厚の酸化タンタルが形成される必要があり、この
ために処理温度は高い方がよく、時間は長い方がよいの
であるが、あまりにこれが高過ぎたり又は長過ぎたりす
るとベータタンタルが酸化され過ぎコンデンサとしたと
きこの部分の抵抗値が大きくなり、そのためにコンデン
サの損失係数が増大するのである。

本実施例では上述のことを考慮し空気中４５０℃、２時
間の熱処理を行ないベータタンタルを約１０００λ程度
酸化タンタル層１３に変換している。

この酸化タンタル層１３は表面側はど酸素を多く有し、
内部側が酸素が少ない酸素プロファイルを示している。

熱処理後コンデンサパターン上の陽極電極引き出し部分
の酸化防止膜１２を除去し、第３図Ｃに示す如く同部分
をたとえばワックス１４等により保護しコンデンサパタ
ーン１１上のコンデンサの誘電体を形成すべき部分を陽
極酸化し五酸化タンタル１５に変える。

この陽極酸化は通常の方法で行なえばよく、その電圧は
最終的に得ようとするコンデンサの容量値から決めれば
よいが、耐熱性の観点からすると、陽極酸化電圧は低い
方がよく、電圧を高くすればする程、先の熱処理の温度
を高く又は時間を長くする必要があることが分っている
。

本実施例では電界液として０．０１％クエン酸溶液を用
い電圧を２００■で陽極酸化している。

誘電体形成後ワックス１４を除去し基体を充分に洗浄し
全面に良導体金属として、たとえばニクロム及び金それ
ぞれ３００人及び３０００人を蒸着法により形成し、通
常の写真食刻技術により、この金及びニクロムの不要部
分を食刻除去し、第３図ｄに示す如く導体パターンとし
て上部電極１６および下部電極端子１７を画成し薄膜コ
ンデンサを完成する。

本実施例により得られた薄膜コンデンサは、ベータタン
タル−五酸化タンタル（誘電体）−良導体金属をこの順
に積層した構造をもち、これは従来の製造方法により得
られたものと同じ構造であるが次に示す通り従来のもの
に比べ格段に耐熱性の優れたものである。

即ち本実施例により得られたコンテ゛ンサはＩＫＨｚＯ
バイアス時の闘２当りの容量値６４０ＰＦ損失係数０．
１８係及び２５Ｖ印加時の絶縁抵抗値１０万ＭΩ以上で
あるがこれを３００℃、１０分間熱放置を行なった後の
特性はそれぞれ６４０ＰＦ、０．２０％及び１０万ＭΩ
以上であり熱放置前後で特性は殆んど変化せず、耐熱性
の優れたものである。

本発明による製造方法により得た薄膜コンデンサが耐熱
性の優れる理由は次の様に考えられる。

即ち本発明の製造方法は陽極酸化により誘電体を形成す
るに先立ち高温酸化性雰囲気中で熱処理を施すことを特
徴としているが、この高温熱処理によりタンタル表面は
酸化タンタルに変り、このとき酸化タンタル−タンタル
境界はの酸素濃度分布は酸化が酸素の熱拡散により起る
と考えられるので、第２図に示した曲線Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ
の様にゆるやかな傾斜を持っていると考えられ、これに
陽極酸化を行うと酸素濃度分布は第２図の曲線Ａ−Ｂ−
Ｅ−Ｃ−Ｄの様になると考えられ、このとき実施例で示
した特性のコンデンサとなる。

この状態をたとえば３００℃１０分間熱放置すると五酸
タンタル中の酸素が酸化タンタル中へ拡散するが、この
五酸化タンタルに近接した酸化タンタル中にはすでに第
２図のＣＤに相当する酸素が含まれているため、その拡
散量は極めて微量で熱放置後の酸素濃度分布はせいぜい
第２図の曲線Ａ−Ｂ−Ｆ−Ｇ−Ｄになるだけであろう。

このことが本発明の製造方法で得たコンデンサが耐熱性
がある理由と考えられる。

上述したことからも明らかな通り、本発明の製造方法を
適用することにより耐熱性の優れた薄膜コンデンサを得
ることが可能になり、それに伴いＨｙＩＣ製造に当って
部品や外部リードの装着に低置な半田が使用できるよう
になりタンタル系薄膜によるＨｙ Ｉ Ｃの低価格化が
実現し、その応用分野が益々増大することが期待できる
。

なお本発明ではベータタンタルを用いた場合について示
したがこれ以外の弁作用を有する金属を用いた場合につ
いても同様に適用しうるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の製造方法により得た薄膜コンデンサの誘
電体内の酸素濃度分布を示す図、第２図は本発明の製造
方法における薄膜コンデンサの誘電体内の酸素濃度分布
を示す図。 第３図ａ乃至第３図ｄは本発明の一実施例による薄膜コ
ンデンサの製造方法を示す主要工程での断面図である。 図中の符号、１・・・・・・従来の薄膜コンデンサの化
成直後の酸素濃度分布を示す曲線、２・・・・・・従来
の薄膜コンデンサの熱処理後の酸素濃度分布を示す曲線
、１０・・・・・・絶縁基板、１１・・・・・・ベータ
タンタル膜、１２・・・・・・アルミニウム膜、１３・
・・・・・酸化タンタル層、１４・・・・・・ワックス
、１５・・・・・・五酸化タンタル層、１６・・・・・
・上部電極、１７・・・・・・下部電極端子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 絶縁基板上に弁作用を有する金属層を形成する工程
   と、前記金属層の所定部分を高温の酸化性雰囲気にさら
   す工程と、しかる後前記所定部を陽極酸化により誘電体
   に変換する工程とを含むことを特徴とする薄膜コンデン
   サの製造方法。