JPH08288172A - ケイ素添加無定形水素化炭素誘電体を有するコンデンサ - Google Patents

ケイ素添加無定形水素化炭素誘電体を有するコンデンサ

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JPH08288172A
JPH08288172A JP8003623A JP362396A JPH08288172A JP H08288172 A JPH08288172 A JP H08288172A JP 8003623 A JP8003623 A JP 8003623A JP 362396 A JP362396 A JP 362396A JP H08288172 A JPH08288172 A JP H08288172A
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JP
Japan
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silicon
dielectric layer
dielectric
capacitor
conductive layer
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Withdrawn
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JP8003623A
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English (en)
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Michael W Devre
マイケル・ウェイン・デブル
Steven M Gasworth
スティーブン・マーク・ガスワース
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G4/00—Fixed capacitors; Processes of their manufacture
    • H01G4/002—Details
    • H01G4/018—Dielectrics
    • H01G4/06—Solid dielectrics
    • H01G4/14—Organic dielectrics

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  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Ceramic Capacitors (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い絶縁耐力を有すると共に広い周波数範囲
にわたって小さい誘電正接を示すコンデンサを提供す
る。 【解決手段】 少なくとも1つの誘電体層によって隔て
られた2つ以上の導電層を設け、誘電体層をケイ素添加
無定形水素化炭素で構成する。添加される適当なドーパ
ントとしてはシラン(好適品である)、テトラアルコキ
シシラン及びポリオルガノシロキサンが挙げられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の背景】本発明はコンデンサ及びその製造方法に
関するものであって、更に詳しく言えば、高い絶縁耐力
及び小さい誘電正接を有する無定形水素化炭素(amo
rphous hydrogenated carbo
n)誘電体を含むコンデンサに関する。
【0002】コンデンサは、電子回路用電源における電
圧変動の低減、パルス信号の伝達、無線周波数の電磁振
動の発生又は検出、電子的時間遅延の付与などを目的と
する素子として電気回路中に常用されている。典型的な
コンデンサは、少なくとも1つの誘電体層によって隔て
られた2つ以上の導電層を有している。コンデンサにお
ける誘電体層としては、各種の材料が有用であることが
知られている。近年、無定形水素化炭素(これはダイヤ
モンド様炭素としても知られており、以後は「DLC」
とも呼ぶ)がこの種の材料として多くの関心を集めてい
る。米国特許第5275967号明細書中には、それが
主としてSP3 構造の炭素から成ると共に、短距離では
ダイヤモンド型構造を有するが長距離では無秩序の無定
形特性を示すことが記載されている。また、「ケミカル
・アンド・エンジニアリング・ニューズ(Chemic
al and EngineeringNews)」1
989年5月15日号の32〜33頁に記載されている
ごとく、この材料の薄膜は概して無定形であるが、通例
は直径2〜20nm未満の極めて小さい結晶を有するこ
とがあり、またほぼ0%ないし50%以上の水素を含有
することがある。1cc当り0.2グラム原子より多い
炭素含量を有するものとして特徴づけられた場合、かか
る薄膜は高い絶縁耐力及び小さい誘電正接をはじめとす
るダイヤモンドに極めて近似した性質を有し得る。
【0003】DLCの絶縁耐力を更に上昇させかつ誘電
正接を更に減少させることには興味深いものがある。絶
縁耐力が上昇するとそれに対応して動作時の電気応力が
増大し、従って規定された定格電圧を達成するために必
要な薄膜の厚さを減少させることができる。薄膜の厚さ
が減少すれば堆積または蒸着時間を短縮することがで
き、ひいては原価の低減をもたらす。それはまた1層当
りのキャパシタンスを増大させ、その結果として所定の
全キャパシタンスを得るために必要な誘電体層の数が減
少する。他方、誘電正接の減少はコンデンサの寿命を延
長し、そして回路効率の向上をもたらす。
【0004】一般に、誘電正接はコンデンサ端子に加わ
る電圧信号の周波数に応じて変化する。DLC誘電体層
を有する典型的なコンデンサは、たとえば電動機に特有
な60〜100000Hz程度の低域ないし中域周波数
では十分に小さい誘電正接を有する。しかるに、1MH
zを越える周波数では誘電正接が実質的に増加し、その
ためにかかる周波数で動作する製品中においては該コン
デンサを使用することができない。
【0005】本発明は、DLC薄膜に低率のケイ素を添
加すると絶縁耐力が実質的に上昇すると共に高い周波数
における誘電正接が減少するという発見に基づいてい
る。デミケリス(Demichelis)等によるマテ
リアルズ・サイエンス・アンド・エンジニアリング(M
aterials Science and Engi
neering)、B11、313−316頁(199
2年)に記載のように、ケイ素の添加が摩擦係数を減少
させかつ摩擦特性を向上させることは知られている。し
かしながら、ケイ素の添加による誘電特性の向上は以前
に報告されてはいないと信じられる。
【0006】
【発明の概要】本発明の一側面に従えば、少なくとも1
つの誘電体層によって隔てられた2つ以上の導電層を有
していて、前記誘電体層が約1〜10原子%のケイ素含
量を有するケイ素添加無定形水素化炭素から成ることを
特徴とするコンデンサが提供される。
【0007】本発明のもう1つの側面に従えば、(a)
第1の導電層を用意し、(b)上記のごときケイ素添加
無定形水素化炭素から成る誘電体層を前記第1の導電層
上に堆積し、次いで(c)前記誘電体層上に第2の導電
層を堆積する諸工程を含むことを特徴とするコンデンサ
の製造方法が提供される。
【0008】
【好適な実施の態様の説明】本発明のコンデンサは、少
なくとも1つの誘電体層によって隔てられた2つ以上の
導電層を有するという点では従来通りのものである。そ
れらの中には、複数の導電層が2つ以上の誘電体層によ
って隔てられて成る積層型コンデンサも含まれる。な
お、導電層は導電性金属(通例はアルミニウム、亜鉛又
はアルミニウム/亜鉛合金)から成っている。
【0009】本発明のコンデンサにおける誘電体層は、
主としてDLCから成っている。導電層上にDLCを堆
積するためには様々な方法が知られているが、その実例
としてはプラズマ促進化学蒸着法(以後は「PECVD
法」と呼ぶ)、カスケードアーク(cascaded
arc)法、スパッタリング法及びイオンビーム堆積法
が挙げられる。
【0010】典型的なPECVD操作に際しては、C
1-4 アルカン、ブタジエン、アセチレン、アセトン、メ
チルエチルケトン、トルエン又はエチルベンゼンのごと
き揮発性有機化合物が炭素源として使用される。なお、
メタンやブタジエンのごとき炭化水素が好適である場合
が多い。通例、かかる有機化合物はアルゴンのごとき不
活性ガスで希釈される。典型的な堆積条件について述べ
れば、約0.5〜0.75W/cm2 のパワー密度、約
20〜40℃の基体温度、及び約100〜300ミリト
ルの圧力の下でそれぞれ約60〜80sccmのアルゴ
ン及び有機化合物ガス流を約20〜40分間にわたり流
すことによって厚さ約7000〜10000オングスト
ロームの炭素薄膜が得られる。
【0011】炭素薄膜の堆積に先立ち、それの密着性を
向上させるため導電層にコンディショニングを施すこと
がしばしば好適である。そのためには、通例約0.5〜
0.75W/cm2 の範囲内の一層高いパワー密度の下
で約10〜15分間にわたって導電層を通例約60〜8
0sccmのアルゴンガス流に暴露すればよい。このよ
うなコンディショニング操作の完了後、有機化合物を短
時間だけ流して付着界面を形成することができる。次い
で、パワーを低下させ、アルゴン及び有機化合物の流れ
を維持し、そして所望の厚さ(通例約5000〜100
00オングストローム)の誘電体層が得られるまで堆積
を継続すればよい。
【0012】本発明に従えば、堆積操作に際して導入さ
れる原料物質の中にドーパントとしての使用量のケイ素
化合物が含まれる。適当なケイ素化合物としては、シラ
ン(すなわち、ケイ素−水素化合物)、テトラアルコキ
シシラン及びポリオルガノシロキサン(以後は「シリコ
ーン」と呼ぶ)が挙げられる。揮発性が高いという点か
ら見て、シラン(すなわち、式Sin H2n+2で表わされ
るケイ素−水素化合物)及びテトラエトキシシランのご
とき低級アルコキシシラン(「低級」とは7個以下の炭
素原子を有するアルコキシ基を意味する)が好適であ
り、またシラン(SiH4 )が最も好適である。
【0013】ケイ素化合物がシラン又はテトラエトキシ
シランのごとき揮発性のものである場合には、堆積に際
して使用されるアルゴン中にそれを混入するのが簡便で
ある。シリコーンのごとき不揮発性のケイ素化合物は、
堆積容器内の雰囲気をそれで飽和させるような条件下で
加熱すればよい。一般に、適度の時間内に所望のケイ素
含量を与えるような条件が使用される。アルゴン中への
混入の場合における適当な条件としては、ケイ素反応剤
とアルゴンとの合計量を基準として約1〜10容量%の
濃度のケイ素反応剤がアルゴン中に使用されるのが通例
である。通例、ケイ素反応剤は炭素の堆積の開始後に徐
々に導入されるのが好ましい。ケイ素含量を測定するた
めには、化学分析電子分光法(ESCA)のごとき分析
法を使用することができる。
【0014】堆積操作の最終段階は、基体の初期コンデ
ィショニングのために使用されたものと同じ条件下で実
施されるのが通例である。かかる条件とは、パワー密度
を上昇させ、ケイ素反応剤を除去し、かつ炭素化合物の
流量を徐々に減少させるというものである。本発明の方
法は、単一の誘電体層によって隔てられた2つの導電層
を有するコンデンサを製造するために使用することがで
きる。また、複数の誘電体層及び導電層を交互に堆積し
て成るコンデンサの製造も本発明の範囲内に含まれる。
【0015】本発明を例示するため、以下に実施例を示
す。この実施例においては、スパッタリング法によって
厚さ1000オングストロームのアルミニウムでそれぞ
れ被覆された2枚のシリコーンウェーハを使用した。対
照ウェーハに対しては、下記のごとき条件下でアルゴン
プラズマ処理によるコンディショニングを施した。 圧力 200ミリトル アルゴン流量 75sccm パワー密度 0.61W/cm2 基体温度 30℃ 時間 12分 次に、75sccmの流量でプラズマ中にブタジエンを
導入し、そして1分間にわたり付着界面を堆積した。パ
ワー密度を0.11W/cm2 に低下させた後、約85
00オングストロームの厚さが得られるまで30分間に
わたってDLCを堆積した。次いで、パワー密度を再び
0.61W/cm2 に上昇させ、そしてブタジエンの流
量を徐々にゼロまで減少させた。
【0016】本発明に係わる第2のウェーハに対して
は、堆積工程に際してアルゴンガス流の代りに2容量%
のシランを含有するアルゴンガス流を使用した点を除け
ば同様な処理を施した。堆積の完了後、シラン−アルゴ
ン混合ガス流を再びアルゴンガス流で置換し、そして対
照ウェーハの場合と同様にして堆積を終了した。6.4
mmの直径及び250オングストロームの厚さを有する
アルミニウム点電極の配列を各々のDLC被膜上にスパ
ッタリングにより堆積し、そして絶縁耐力及び誘電正接
の測定を行った。結果を下記表1中に示す。
【0017】
【表1】 対 照 品 Si添加品 ESCAによるSi含量(原子%) 0 2 絶縁耐力(MV/cm): 平均 3.7 4.6 ピーク 4.1 5.1 誘電正接: 100kHz 0.03 0.05 1MHz 0.4 0.05 平均及びピーク絶縁耐力が共に向上した点並びに広い周
波数範囲にわたって小さい誘電正接が一貫して維持され
た点で本発明のケイ素添加品が対照品よりも優れている
ことは明らかである。

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも1つの誘電体層によって隔て
    られた2つ以上の導電層を有していて、前記誘電体層が
    約1〜10原子%のケイ素含量を有するケイ素添加無定
    形水素化炭素から成ることを特徴とするコンデンサ。
  2. 【請求項2】 前記導電層がアルミニウム、亜鉛又はア
    ルミニウム/亜鉛合金から成る請求項1記載のコンデン
    サ。
  3. 【請求項3】 (a)第1の導電層を用意し、(b)約
    1〜10原子%のケイ素含量を有するケイ素添加無定形
    水素化炭素から成る誘電体層を前記第1の導電層上に堆
    積し、次いで(c)前記誘電体層上に第2の導電層を堆
    積する諸工程を含むことを特徴とするコンデンサの製造
    方法。
  4. 【請求項4】 前記導電層がアルミニウム、亜鉛又はア
    ルミニウム/亜鉛合金から成る請求項3記載の方法。
  5. 【請求項5】 前記誘電体層中の無定形水素化炭素の供
    給源が揮発性有機化合物である請求項3記載の方法。
  6. 【請求項6】 前記有機化合物がC1-4 炭化水素、ブタ
    ジエン、アセチレン、アセトン、メチルエチルケトン、
    トルエン又はエチルベンゼンである請求項5記載の方
    法。
  7. 【請求項7】 前記誘電体層の密着性を向上させるた
    め、前記第1の導電層を約0.5〜0.75W/cm2
    の範囲内のパワー密度の下でアルゴンガス流に暴露する
    ことによってコンディショニングが施される請求項3記
    載の方法。
  8. 【請求項8】 前記誘電体層中のケイ素の供給源がシラ
    ン、テトラアルコキシシラン又はポリオルガノシロキサ
    ンである請求項3記載の方法。
  9. 【請求項9】 前記誘電体層中のケイ素の供給源がシラ
    ン(SiH4 )である請求項8記載の方法。
  10. 【請求項10】 前記シランが、ケイ素反応剤とアルゴ
    ンとの合計量を基準として、約1〜10容量%の濃度で
    アルゴンと共に導入される請求項9記載の方法。
  11. 【請求項11】 前記誘電体層がプラズマ促進化学蒸着
    法、カスケードアーク法、スパッタリング法又はイオン
    ビーム堆積法によって堆積される請求項3記載の方法。
JP8003623A 1995-01-23 1996-01-12 ケイ素添加無定形水素化炭素誘電体を有するコンデンサ Withdrawn JPH08288172A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/376564 1995-01-23
US08/376,564 US5569487A (en) 1995-01-23 1995-01-23 Capacitor dielectrics of silicon-doped amorphous hydrogenated carbon

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EP (1) EP0724276A3 (ja)
JP (1) JPH08288172A (ja)
CN (1) CN1138737A (ja)
CA (1) CA2167008A1 (ja)
TW (1) TW293918B (ja)

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EP0724276A2 (en) 1996-07-31
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