JPH08236705A - マルチチップモジュール用薄膜コンデンサの誘電材料 - Google Patents
マルチチップモジュール用薄膜コンデンサの誘電材料Info
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- JPH08236705A JPH08236705A JP4162995A JP4162995A JPH08236705A JP H08236705 A JPH08236705 A JP H08236705A JP 4162995 A JP4162995 A JP 4162995A JP 4162995 A JP4162995 A JP 4162995A JP H08236705 A JPH08236705 A JP H08236705A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thin film
- dielectric material
- sputtering
- mcm
- capacitor
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- Ceramic Capacitors (AREA)
- Fixed Capacitors And Capacitor Manufacturing Machines (AREA)
- Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 MCM用薄膜コンデンサに関し、使用温度範
囲において高い誘電率を示すセラミックコンデンサ用誘
電材料の実用化を目的とする。 【構成】 高周波電力比が9:1〜7:3の範囲でBa
Ti O3 とBa Zr O3を共スパッタして形成したBa
(Ti1-xZr x ) O3 を用いてMCM用薄膜コンデンサ
の誘電材料を構成する。
囲において高い誘電率を示すセラミックコンデンサ用誘
電材料の実用化を目的とする。 【構成】 高周波電力比が9:1〜7:3の範囲でBa
Ti O3 とBa Zr O3を共スパッタして形成したBa
(Ti1-xZr x ) O3 を用いてMCM用薄膜コンデンサ
の誘電材料を構成する。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はマルチチップモジュール
(以下略してMCM)に使用される薄膜コンデンサの誘
電材料に関する。
(以下略してMCM)に使用される薄膜コンデンサの誘
電材料に関する。
【0002】大量の情報を迅速に処理する必要から情報
処理装置は大容量化が行われており、LSIやVLSI
などの集積回路をマトリックス状に配列してなるMCM
の実用化が進められている。
処理装置は大容量化が行われており、LSIやVLSI
などの集積回路をマトリックス状に配列してなるMCM
の実用化が進められている。
【0003】こゝで、MCMを構成するセラミック多層
回路基板は、この基板上部に高速信号を処理し、また、
多大の発熱を伴うLSIやVLSIなどの集積回路をマ
トリックス状に配列して装着することから基板材料とし
て窒化アルミニウム(Al N)など耐熱性と熱伝導性の
優れたセラミック基板が用いられている。
回路基板は、この基板上部に高速信号を処理し、また、
多大の発熱を伴うLSIやVLSIなどの集積回路をマ
トリックス状に配列して装着することから基板材料とし
て窒化アルミニウム(Al N)など耐熱性と熱伝導性の
優れたセラミック基板が用いられている。
【0004】そして、多層回路基板の製造方法として
は、Al Nなどのセラミック粉末に少量の焼結助剤とバ
インダおよび分散剤を加え、良く混練してスラリーを作
り、このスラリーをドクターブレード法によりグリーン
シートを形成してバイアホールを孔あけした後、このグ
リーンシートにタングステン(W)ペーストを印刷して
電源線路やアース線路などのパターン形成を行い、積層
して一体化して後、窒素(N2 )ガスのような不活性ガ
ス雰囲気中で脱脂し、高温にまで加熱して焼結させるこ
とによりビア(Via )により回路接続された多層回路基
板が作られる。
は、Al Nなどのセラミック粉末に少量の焼結助剤とバ
インダおよび分散剤を加え、良く混練してスラリーを作
り、このスラリーをドクターブレード法によりグリーン
シートを形成してバイアホールを孔あけした後、このグ
リーンシートにタングステン(W)ペーストを印刷して
電源線路やアース線路などのパターン形成を行い、積層
して一体化して後、窒素(N2 )ガスのような不活性ガ
ス雰囲気中で脱脂し、高温にまで加熱して焼結させるこ
とによりビア(Via )により回路接続された多層回路基
板が作られる。
【0005】次に、かゝる基板の上に真空蒸着やスパッ
タなどの薄膜形成技術と写真蝕刻技術(ホトリソグラフ
ィ)を用いて多数の微細な信号線路をパターン形成した
後、この上にポリイミドや二酸化シリコン(Si O2 )
などの耐熱性材料を用いて層間絶縁層を作り、この絶縁
層上にLSIやVLSIなどの集積回路を搭載し、ビア
により信号線路に回路接続することでMCMが形成され
ている。
タなどの薄膜形成技術と写真蝕刻技術(ホトリソグラフ
ィ)を用いて多数の微細な信号線路をパターン形成した
後、この上にポリイミドや二酸化シリコン(Si O2 )
などの耐熱性材料を用いて層間絶縁層を作り、この絶縁
層上にLSIやVLSIなどの集積回路を搭載し、ビア
により信号線路に回路接続することでMCMが形成され
ている。
【0006】本発明はかゝるMCMに使用される薄膜コ
ンデンサに関するものである。
ンデンサに関するものである。
【0007】
【従来の技術】先に記したように、MCMはAl Nなど
よりなる多層回路基板上にLSIやVLSIなどの半導
体集積回路(以下略してLSI)をマトリックス状に配
列して形成されているが、LSIを構成している多数の
トランジスタが同時にスイッチング動作を行う場合に
は、配線が有するインダクタンスの影響により電源電圧
が変動し、この際に発生する高速のノイズによりLSI
が誤動作すると云う問題がある。
よりなる多層回路基板上にLSIやVLSIなどの半導
体集積回路(以下略してLSI)をマトリックス状に配
列して形成されているが、LSIを構成している多数の
トランジスタが同時にスイッチング動作を行う場合に
は、配線が有するインダクタンスの影響により電源電圧
が変動し、この際に発生する高速のノイズによりLSI
が誤動作すると云う問題がある。
【0008】そこで、この対策としてセラミックよりな
るチップコンデンサをLSIの近傍に配置することが行
われている。然し、チップコンデンサとLSIとを回路
接続する配線のもつインダクタンスによって、このチッ
プコンデンサは所謂るデカップリングコンデンサとして
充分には機能しておらず、また、装着するチップコンデ
ンサが相当の面積を必要とすることから、このチップコ
ンデンサの存在によりMCMの小形化が妨げられてい
る。
るチップコンデンサをLSIの近傍に配置することが行
われている。然し、チップコンデンサとLSIとを回路
接続する配線のもつインダクタンスによって、このチッ
プコンデンサは所謂るデカップリングコンデンサとして
充分には機能しておらず、また、装着するチップコンデ
ンサが相当の面積を必要とすることから、このチップコ
ンデンサの存在によりMCMの小形化が妨げられてい
る。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】MCMに使用されるデ
カップリングコンデンサとして現状ではセラミックチッ
プコンデンサが使われているが、このチップコンデンサ
とLSIを結ぶ配線の有するインダクタンスによって、
スイッチングノイズが充分には除去できず、一方、チッ
プコンデンサはLSIが搭載されていると同じ基板面上
に搭載されることから、MCMの小形化が妨げられると
云う問題がある。
カップリングコンデンサとして現状ではセラミックチッ
プコンデンサが使われているが、このチップコンデンサ
とLSIを結ぶ配線の有するインダクタンスによって、
スイッチングノイズが充分には除去できず、一方、チッ
プコンデンサはLSIが搭載されていると同じ基板面上
に搭載されることから、MCMの小形化が妨げられると
云う問題がある。
【0010】そこで、この解決法としてチップコンデン
サの搭載を無くし、その代わりに信号線路がパターン形
成してある信号層に薄膜コンデンサを形成し、この上に
層間絶縁層を介してLSIを配列すると面積をとらずに
効果的である。
サの搭載を無くし、その代わりに信号線路がパターン形
成してある信号層に薄膜コンデンサを形成し、この上に
層間絶縁層を介してLSIを配列すると面積をとらずに
効果的である。
【0011】さて、今まで高誘電率材料として薄膜形成
に用いられている材料としては、チタン酸ストロンチウ
ム(Sr Ti O3 ),チタン酸ストロンチウム酸バリウ
ム〔Ba (Ti1-xSr x ) O3 〕,チタン酸ジルコン酸
鉛〔Pb (Ti1-xZr x ) O 3 略称PZT〕などがあ
る。然し、Sr Ti O3 とBa (Ti1-xSr x ) O3 に
ついては誘電率が小さく、また、スパッタ法で成膜する
場合に成膜速度が遅いと云う問題がある。
に用いられている材料としては、チタン酸ストロンチウ
ム(Sr Ti O3 ),チタン酸ストロンチウム酸バリウ
ム〔Ba (Ti1-xSr x ) O3 〕,チタン酸ジルコン酸
鉛〔Pb (Ti1-xZr x ) O 3 略称PZT〕などがあ
る。然し、Sr Ti O3 とBa (Ti1-xSr x ) O3 に
ついては誘電率が小さく、また、スパッタ法で成膜する
場合に成膜速度が遅いと云う問題がある。
【0012】また、層間絶縁層上に形成される信号線路
は銅(Cu )を用いて形成されるが、この配線パターン
の形成は還元雰囲気で行われることから、蒸気圧の高い
Pbを含むPZTの使用は適当ではない。これらのこと
から、従来のコンデンサ用セラミック材料の使用は適当
ではなく、これに代わるセラミック材料を実用化するこ
とが課題である。
は銅(Cu )を用いて形成されるが、この配線パターン
の形成は還元雰囲気で行われることから、蒸気圧の高い
Pbを含むPZTの使用は適当ではない。これらのこと
から、従来のコンデンサ用セラミック材料の使用は適当
ではなく、これに代わるセラミック材料を実用化するこ
とが課題である。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記の課題はMCM用薄
膜コンデンサの誘電体を形成する材料がチタン酸バリウ
ム(Ba Ti O3 )とジルコン酸バリウム(Ba Zr O
3 )の二元スパッタにより得られるチタン酸ジルコン酸
バリウム〔Ba (Ti1-xZr x ) O3 〕よりなり、その
際の高周波電力比が9:1〜7:3の範囲で生じた材料
を用いてMCM用薄膜コンデンサを構成することにより
解決することができる。
膜コンデンサの誘電体を形成する材料がチタン酸バリウ
ム(Ba Ti O3 )とジルコン酸バリウム(Ba Zr O
3 )の二元スパッタにより得られるチタン酸ジルコン酸
バリウム〔Ba (Ti1-xZr x ) O3 〕よりなり、その
際の高周波電力比が9:1〜7:3の範囲で生じた材料
を用いてMCM用薄膜コンデンサを構成することにより
解決することができる。
【0014】
【作用】MCM用薄膜コンデンサは小面積で大静電容量
を実現できることが必要であり、そのための必要条件と
して、 誘電率(ε)が大きなこと、 誘電損失(tan δ) が小さいこと、 耐熱性が優れていること、 などを挙げることができ、この観点からはBa Ti O3
のような強誘電体セラミック材料が適しており、薄膜コ
ンデンサの誘電体としても使用されている。
を実現できることが必要であり、そのための必要条件と
して、 誘電率(ε)が大きなこと、 誘電損失(tan δ) が小さいこと、 耐熱性が優れていること、 などを挙げることができ、この観点からはBa Ti O3
のような強誘電体セラミック材料が適しており、薄膜コ
ンデンサの誘電体としても使用されている。
【0015】すなわち、Ba Ti O3 焼結体をターゲッ
トとし、成分の分解を防ぐために約1パスカルの酸素
(O2 )雰囲気中でスパッタ処理を行うことによりBa
Ti O 3 薄膜を形成することができる。
トとし、成分の分解を防ぐために約1パスカルの酸素
(O2 )雰囲気中でスパッタ処理を行うことによりBa
Ti O 3 薄膜を形成することができる。
【0016】然しながら、Ba Ti O3 結晶のキュリー
(Curie)点は120 ℃であり、このキュリー温度の近傍に
おいて誘電率(ε)は12000 にも達する高い値を示すも
のゝ、常温においては数100 にまで減少する性質があ
る。すなわち、Ba Ti O3 はペロブスカイト(Perovs
kite) 構造をとり、キュリー点以上では立方晶系(Cubi
c)であるが、それ以下の温度では正方晶系(Tetragonal)
となり、0 ℃付近では斜方晶系(Orthorhombic)に変わ
り、またー80℃以下では菱面体晶系(Rhombohedral)に変
わることから、結晶系の変化と共に誘電率(ε)が変化
している。
(Curie)点は120 ℃であり、このキュリー温度の近傍に
おいて誘電率(ε)は12000 にも達する高い値を示すも
のゝ、常温においては数100 にまで減少する性質があ
る。すなわち、Ba Ti O3 はペロブスカイト(Perovs
kite) 構造をとり、キュリー点以上では立方晶系(Cubi
c)であるが、それ以下の温度では正方晶系(Tetragonal)
となり、0 ℃付近では斜方晶系(Orthorhombic)に変わ
り、またー80℃以下では菱面体晶系(Rhombohedral)に変
わることから、結晶系の変化と共に誘電率(ε)が変化
している。
【0017】そこで、Ba Ti O3 を主体とするチップ
コンデンサにおいては、常温において大きな誘電率
(ε)を実現するために、各種元素の酸化物を添加し、
キュリー点を常温近傍に下げることが行われている。
コンデンサにおいては、常温において大きな誘電率
(ε)を実現するために、各種元素の酸化物を添加し、
キュリー点を常温近傍に下げることが行われている。
【0018】すなわち、酸化チタン(Ti O2 )や炭酸
バリウム(Ba CO3 )などの原料粉末を混合する際に
各種元素の酸化物を添加し、これを混練して作った成形
体を高温で焼成することにより、キュリー点や温度係数
を移動させたセラミックスを実現している。
バリウム(Ba CO3 )などの原料粉末を混合する際に
各種元素の酸化物を添加し、これを混練して作った成形
体を高温で焼成することにより、キュリー点や温度係数
を移動させたセラミックスを実現している。
【0019】これに対し、発明者等はキュリー点を下げ
る方法として、Ba Ti O3 と同様にペロブスカイト構
造をとるBa Zr O3 を同時にスパッタ(二元スパッ
タ)してBa (Ti1-xZr x ) O3 の構造をもつ薄膜を
作り、これにより常温においてBa Ti O3 よりも誘電
率(ε)の大きなコンデンサ用誘電材料を実現するもの
である。
る方法として、Ba Ti O3 と同様にペロブスカイト構
造をとるBa Zr O3 を同時にスパッタ(二元スパッ
タ)してBa (Ti1-xZr x ) O3 の構造をもつ薄膜を
作り、これにより常温においてBa Ti O3 よりも誘電
率(ε)の大きなコンデンサ用誘電材料を実現するもの
である。
【0020】すなわち、ターゲットに対する電力比を変
えてスパッタを行うことにより、組成比の異なる化合物
を作ることができるが、この場合はBa (Ti1-x Zr
x )O3 ,但しxはZr の置換量で表わすことができ、
ペロブスカイト構造をとるBサイトのTi がZr に置換
されてゆき、それに従ってキュリー点が低下する。
えてスパッタを行うことにより、組成比の異なる化合物
を作ることができるが、この場合はBa (Ti1-x Zr
x )O3 ,但しxはZr の置換量で表わすことができ、
ペロブスカイト構造をとるBサイトのTi がZr に置換
されてゆき、それに従ってキュリー点が低下する。
【0021】本発明はBa Ti O3 ターゲットとBa Z
r O3 ターゲットに対する高周波電力比を9:1〜7:
3として二元スパッタを行うことにより、常温において
BaTi O3 よりも大きな誘電率を示すセラミックスを
得るものである。
r O3 ターゲットに対する高周波電力比を9:1〜7:
3として二元スパッタを行うことにより、常温において
BaTi O3 よりも大きな誘電率を示すセラミックスを
得るものである。
【0022】なお、スパッタにより得られる誘電体薄膜
の誘電率はバルクの誘電率に比較して桁違いに小さくな
るが、この理由はスパッタを行う際に基板温度を充分高
くとることが困難であり、そのために結晶粒が小さく、
充分なドメイン構造をとることができないためである。
の誘電率はバルクの誘電率に比較して桁違いに小さくな
るが、この理由はスパッタを行う際に基板温度を充分高
くとることが困難であり、そのために結晶粒が小さく、
充分なドメイン構造をとることができないためである。
【0023】なお、X線回折の結果から二元スパッタに
より得られるBa (Ti1-x Zr x)O3 膜の優先的な
面方位は<100>であることが判った。
より得られるBa (Ti1-x Zr x)O3 膜の優先的な
面方位は<100>であることが判った。
【0024】
【実施例】シリコン(Si )基板上に熱酸化法によりS
i O2 膜を500nm の厚さに形成し、この上に白金(Pt
)膜を100nm の厚さに形成して下側の電極とした。
i O2 膜を500nm の厚さに形成し、この上に白金(Pt
)膜を100nm の厚さに形成して下側の電極とした。
【0025】次に、Ba Ti O3 の焼結体とBa Zr O
3 の焼結体をターゲットとして上記基板と共に高周波マ
グネトロンスパッタ装置に装着し、次の条件で二元スパ
ッタを行った。
3 の焼結体をターゲットとして上記基板と共に高周波マ
グネトロンスパッタ装置に装着し、次の条件で二元スパ
ッタを行った。
【0026】 成膜温度・・・・・・・・・・・・・・・・・・500 ℃ ガス圧 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・1Pa ガスの組成(Ar :O2)・・・・・・・・・・・9:1 Ba Ti O3 への高周波電力・・・・・・・・・1.6 〜3.2 W/cm2 Ba Zr O3 への高周波電力・・・・・・・・・0 〜1.6 W/cm2 スパッタ時間 ・・・・・・・・・・・・・・・5時間 そして、両者の電力比を10:0より5:5の範囲に変え
てスパッタを行い、薄膜の結晶方位はX線回折法(XR
D)で、化学組成は誘導結合プラズマ発光分光分析法
(Inductively Coupled Plasma Method 略称ICP)で
測定し、また、この上にスパッタ法によりPt 膜を100n
m の厚さに形成してコンデンサを作り、静電容量をイン
ピーダンス・アナライザ(Impedance/Gain Phase Analy
zer)を用いて測定した。
てスパッタを行い、薄膜の結晶方位はX線回折法(XR
D)で、化学組成は誘導結合プラズマ発光分光分析法
(Inductively Coupled Plasma Method 略称ICP)で
測定し、また、この上にスパッタ法によりPt 膜を100n
m の厚さに形成してコンデンサを作り、静電容量をイン
ピーダンス・アナライザ(Impedance/Gain Phase Analy
zer)を用いて測定した。
【0027】その結果、Ba (Ti1-x Zr x )O3 膜
の形成に当たってBa Ti O3 ターゲットとBa Zr O
3 ターゲットに対する高周波電力比とBa (Ti1-x Z
r x)O3 膜のxの値との関係は次のようになった。
の形成に当たってBa Ti O3 ターゲットとBa Zr O
3 ターゲットに対する高周波電力比とBa (Ti1-x Z
r x)O3 膜のxの値との関係は次のようになった。
【0028】 高周波電力比が10:0の場合 ・・・・・・・・・0 高周波電力比が9:1の場合 ・・・・・・・・・0.015 高周波電力比が8:2の場合 ・・・・・・・・・0.082 高周波電力比が7:3の場合 ・・・・・・・・・0.209 次に、図1はターゲットへの電力供給比を変えてスパッ
タした場合の誘電率に及ぼす影響を示すもので、高周波
電力比が9:1の場合、すなわち、Ba (Ti 0.985 Zr
0.015)O3 の場合に約150 の誘電率を示し、この値は
Ba Ti O3 の示す約105 より優っている。
タした場合の誘電率に及ぼす影響を示すもので、高周波
電力比が9:1の場合、すなわち、Ba (Ti 0.985 Zr
0.015)O3 の場合に約150 の誘電率を示し、この値は
Ba Ti O3 の示す約105 より優っている。
【0029】
【発明の効果】本発明はデカップリングコンデンサを最
上層の下の信号層に形成し、この信号層の上に絶縁層を
形成し、この上に多数のLSIを搭載すると共に、この
絶縁層に設けたビアによりLSIと回路接続する構成を
とるMCMにおいて、デカップリングコンデンサの誘電
体としてBa Ti O3 とBa Zr O3 とを二元スパッタ
したBa (Ti1-x Zr x )O3 膜が優れていることを
示すもので、この材料の使用により、MCMの小型化が
可能となる。
上層の下の信号層に形成し、この信号層の上に絶縁層を
形成し、この上に多数のLSIを搭載すると共に、この
絶縁層に設けたビアによりLSIと回路接続する構成を
とるMCMにおいて、デカップリングコンデンサの誘電
体としてBa Ti O3 とBa Zr O3 とを二元スパッタ
したBa (Ti1-x Zr x )O3 膜が優れていることを
示すもので、この材料の使用により、MCMの小型化が
可能となる。
【図1】 スパッタ比の誘電率に及ぼす影響を示す図で
ある。
ある。
Claims (2)
- 【請求項1】 チタン酸バリウムとジルコン酸バリウム
の二元スパッタにより得られるチタン酸ジルコン酸バリ
ウムよりなることを特徴とするマルチチップモジュール
用薄膜コンデンサの誘電材料。 - 【請求項2】 前記チタン酸バリウムとジルコン酸バリ
ウムのスパッタにおける高周波電力比が9:1〜7:3
の範囲で形成されたものであることを特徴とする請求項
1記載のマルチチップモジュール用薄膜コンデンサの誘
電材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4162995A JPH08236705A (ja) | 1995-03-01 | 1995-03-01 | マルチチップモジュール用薄膜コンデンサの誘電材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4162995A JPH08236705A (ja) | 1995-03-01 | 1995-03-01 | マルチチップモジュール用薄膜コンデンサの誘電材料 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08236705A true JPH08236705A (ja) | 1996-09-13 |
Family
ID=12613629
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4162995A Withdrawn JPH08236705A (ja) | 1995-03-01 | 1995-03-01 | マルチチップモジュール用薄膜コンデンサの誘電材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08236705A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1054166C (zh) * | 1997-11-14 | 2000-07-05 | 中国科学院固体物理研究所 | 尺寸可控的纳米级银颗粒镶嵌在钛酸钡薄膜中的制备方法 |
| KR100451569B1 (ko) * | 2002-05-18 | 2004-10-08 | 주식회사 하이닉스반도체 | 수소배리어막을 구비한 반도체 장치의 제조 방법 |
-
1995
- 1995-03-01 JP JP4162995A patent/JPH08236705A/ja not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1054166C (zh) * | 1997-11-14 | 2000-07-05 | 中国科学院固体物理研究所 | 尺寸可控的纳米级银颗粒镶嵌在钛酸钡薄膜中的制备方法 |
| KR100451569B1 (ko) * | 2002-05-18 | 2004-10-08 | 주식회사 하이닉스반도체 | 수소배리어막을 구비한 반도체 장치의 제조 방법 |
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| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
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