JP2010225849A

JP2010225849A - 薄膜キャパシタ

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Publication number: JP2010225849A
Application number: JP2009071524A
Authority: JP
Inventors: 純 ▲高▼木; Jun Takagi; Toshiyuki Nakaiso; 俊幸中磯
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-03-24
Filing date: 2009-03-24
Publication date: 2010-10-07

Abstract

【課題】周辺環境の水分を吸湿することもなく、良好な信頼性を有する耐湿性の向上した薄膜キャパシタを実現する。
【解決手段】キャパシタ部８は、誘電体薄膜５の下面に第１の電極膜４が形成されると共に前記誘電体薄膜５の上面に第２の電極膜５が形成され、さらに第２の電極膜５の上面に誘電体薄膜５と同一材料からなる絶縁体薄膜７が形成されている。キャパシタ部８、密着層３、及びＳｉＯ２からなる酸化物層１は、二層の絶縁膜９、すなわち無機保護膜１０及び有機保護膜１１で被覆されている。第１及び第２の引出電極１２、１３は、互いに電気的に絶縁されると共に、保護膜１０を貫通して第１及び第２の電極膜４、５に電気的に接続されている。そして、外部接続電極１４、１５を除く部位が無機保護膜１６で被覆され、かつ無機保護膜１６は有機保護膜１７で被覆されている。
【選択図】図１

Description

本発明は薄膜キャパシタに関し、より詳しくは基板上にキャパシタを形成して大規模集積回路素子（ＬＳＩ）等の外部電子部品に接続される薄膜キャパシタに関する。

近年，ＬＳＩ等の各種電子部品では高密度化が進行すると共に、動作速度も益々上昇の一途を辿っている。

そして、このように電子部品の動作速度が上昇してくると、電子回路のスイッチング動作に起因して電圧ノイズや電圧変動が生じ易くなる。

そこで、従来より、これら電圧ノイズや電圧変動に起因した信号エラーの発生を抑制する目的で薄膜キャパシタが広く使用されている。

例えば、特許文献１では、金属酸化物からなる誘電体層を有するキャパシタと、樹脂材からなる保護絶縁層とを有する薄膜キャパシタにおいて、前記キャパシタと前記保護絶縁層との間に、非導電性無機質材料からなるバリア層を設けた薄膜キャパシタが提案されている。

特許文献１の薄膜キャパシタは、具体的には図４に示すように、誘電体層１０１の上下両面に第１及び第２の電極層１０２、１０３が形成されたキャパシタが基板１０４上に設けられると共に、第１の電極層１０２は第１の引出電極１０７を介して第１のバンプ１０８に接続され、第２の電極層１０３は第２の引出電極１０５を介して第２のバンプ１０６に接続されている。そして、キャパシタは窒化シリコン等で形成された無機保護膜（バリア層）１０９及びポリイミド樹脂等で形成された有機樹脂膜（保護絶縁層）１１０で被覆されている。

すなわち、特許文献１では、第１及び第２のバンプ１０６、１０８からの機械的応力を有機樹脂膜１１０で吸収すると共に、有機樹脂膜１１０から放出される水分が誘電体層１０１に達するのを無機保護膜１０９で阻止し、これによりキャパシタの耐衝撃性と耐湿性を確保している。

また、特許文献２には、基板と、少なくとも２層の電極層と少なくとも１層の誘電体薄膜とを有してなり前記基板上に形成されたキャパシタ部と、前記キャパシタ部を覆うように形成された保護層と、前記保護層を貫通し前記キャパシタ部のいずれかの電極層に接続する引出導体とを有し、前記引出導体は前記電極層に接触している側から順に少なくとも密着層と、下地導体層と、アンダーバンプメタル層とからなり、前記密着層は前記下地導体層および前記アンダーバンプメタル層よりも薄く、前記下地導体層の外周端と前記アンダーバンプメタル層の外周端がずらされているとともに、前記密着層の外周端は前記下地導体層および前記アンダーバンプメタル層の外周端よりも外側まで延びて形成された薄膜キャパシタが提案されている。

特許文献２は、具体的には図５に示すように、基板１１１の表面に形成された密着層１１２上に第１の電極層１１３、誘電体薄膜１１４、及び第２の電極層１１５からなるキャパシタ部１１６を形成し、キャパシタ部１１６上に拡散抑制層１１７が形成されている。そして、第１の電極層１１３は密着層１１８及び下地導体層１１９を介して第１のアンダーバンプメタル層（第１の引出電極）１２０と電気的に接続され、かつ該第１のアンダーバンプメタル層１２０は第１のバンプ１２１に電気的に接続されている。また、第２の電極層１１５は密着層１２２及び下地導体層１２３を介して第２のアンダーバンプメタル層（第２の引出電極）１２４に電気的に接続され、かつ第２のアンダーバンプメタル層１２４は第２のバンプ１２５に電気的に接続されている。

そして、キャパシタ部１１６は無機保護膜１２６及び有機保護膜１２７で被覆され、さらに有機保護膜１２７は有機樹脂膜１２８で外装されている。有機樹脂膜１２８はソルダーレジストとしての作用を有し、第１及び第２のバンプ１２０、１２５に外部電子部品をはんだ接続する際に、はんだが第１及び第２のバンプ１２０、１２５の外方に流れるのを阻止している。

特開２００４-２１４５８９号公報特開２００７-８１３２５号公報

しかしながら、特許文献１及び２は、いずれも最外層が有機系の樹脂膜、すなわち有機樹脂膜１１０、１２８で被覆されており、したがってこれら有機樹脂膜１１０、１２８が周辺環境に晒されることとなる。このため、有機樹脂膜１１０、１２７、１２８が、周辺環境の水分を吸湿して膨張すると、応力が発生するおそれがある。そしてこの応力に起因して第１の引出電極１０５、１２０及び第２の引出電極１０７、１２４が無機保護膜１０９、１２６や有機保護膜１１０、１２７から剥離し、その結果、これら引出電極１０５、１０７、１２０、１２４と無機又は有機の保護膜１０９、１２６、１１０、１２７との界面から水分が浸入し、薄膜キャパシタの特性が劣化するおそれがある。

しかも、引出電極も周辺環境に晒されるか（特許文献１）、有機樹脂膜で被覆されているため（特許文献２）、周辺環境から吸った水分により電極腐食や界面の劣化が生じ、薄膜キャパシタの特性劣化を招くおそれがある。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであって、周辺環境の水分を吸湿することもなく、良好な信頼性を有する耐湿性の向上した薄膜キャパシタを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る薄膜キャパシタは、誘電体薄膜の上下両面に電極膜が形成された少なくとも一つ以上の容量発生部を有するキャパシタ部と、外表面が有機材料で形成されて前記キャパシタ部を被覆する少なくとも一層以上の絶縁保護膜と、前記絶縁保護膜を貫通し、かつ前記容量発生部を構成する前記電極膜のうちの一方の電極膜に電気的に接続されると共に他方の電極膜と電気的に絶縁された一対の引出電極とを備え、前記引出電極は、外部電子部品との接続部位を除く部位が無機保護膜で被覆されていることを特徴としている。

また、本発明の薄膜キャパシタは、前記無機保護膜が、有機保護膜で被覆されていることを特徴としている。

さらに、本発明の薄膜キャパシタは、前記キャパシタ部が、最上層の電極膜の上面に前記誘電体薄膜と同一材料からなる絶縁体薄膜が形成されていることを特徴としている。

上記薄膜キャパシタによれば、誘電体薄膜の上下両面に電極膜が形成された少なくとも一つ以上の容量発生部を有するキャパシタ部と、外表面が有機材料で形成されて前記キャパシタ部を被覆する少なくとも一層以上の絶縁保護膜と、前記絶縁保護膜を貫通し、かつ前記容量発生部を構成する前記電極膜のうちの一方の電極膜に電気的に接続されると共に他方の電極膜と電気的に絶縁された一対の引出電極とを備え、前記引出電極は、外部電子部品との接続部位を除く部位が無機保護膜で被覆されているので、外表面が有機材料で形成された保護膜が周辺環境に晒されることがない。したがって、有機系絶縁膜の吸湿・膨張に起因して応力が発生するのを回避することができ、引出電極が絶縁膜から剥離するのを防止することができる。

そして、このように耐湿性が向上することから、キャパシタ部に水分が浸入するのを効果的に抑制することができ、電極腐食や界面劣化を防止することができる。

前記無機保護膜が、有機保護膜で被覆されているので、実装時に使用するはんだによる引出電極の腐食をより効果的に防止することができる。

また、前記キャパシタ部が、最上層の電極膜の上面に前記誘電体薄膜と同一材料からなる絶縁体薄膜が形成されているので、絶縁膜の成分が誘電体薄膜にまで拡散して特性低下を招くのを回避することができ、したがってキャパシタ部の絶縁抵抗が低下するのを抑制することができる。

本発明に係る薄膜キャパシタの一実施の形態を模式的に示す断面図である。上記薄膜キャパシタの製造方法を示す製造工程図（１／２）である。上記薄膜キャパシタの製造方法を示す製造工程図（２／２）である。特許文献１に記載された薄膜キャパシタの断面図である。特許文献２に記載された薄膜キャパシタの断面図である。

次に、本発明の実施の形態を図面に基づき詳説する。

図１は本発明に係る薄膜キャパシタの一実施の形態を模式的に示した断面図である。

この薄膜キャパシタは、ＳｉＯ_２からなる酸化物層１が表面に形成されたＳｉ単結晶基板（以下、単に「Ｓｉ基板」という。）２上に密着層３が形成され、該密着層３の上面には第１の電極膜４、誘電体薄膜５、及び第２の電極膜６が順次形成され、さらに第２の電極膜６の表面には前記誘電体薄膜５と同一材料からなる絶縁体薄膜７が形成されている。そして、第１の電極膜４、誘電体薄膜５、第２の電極膜６で容量発生部を形成し、該容量発生部と絶縁体薄膜７とでキャパシタ部８を形成している。

キャパシタ部８は二層構造の絶縁膜９、すなわち膜厚２００〜１０００ｎｍの無機絶縁膜１０と膜厚２０００〜１００００ｎｍの有機絶縁膜１１とで上面及び側面が被覆されている。そして、有機絶縁膜１１で後述する第１及び第２の外部接続電極からの機械的応力を吸収すると共に、無機絶縁膜１０で有機絶縁膜１１から放出される水分がキャパシタ部８に浸入するのを防いでいる。

第１の引出電極１２及び第２の引出電極１３は、互いに電気的に絶縁されると共に、絶縁膜９を貫通し、第１の引出電極１２は第１の電極膜４に電気的に接続され、第２の引出電極１３は第２の電極膜６に電気的に接続されている。

第１及び第２の引出電極１２、１３の上面には第１及第２の外部接続電極１４、１５が形成され、ＬＳＩ等の外部電子部品がはんだ接続可能に構成されている。

第１及び第２の電極膜４、６に使用される導電性材料としては、導電性が良好で耐酸化性に優れた高融点の貴金属材料、例えば、Ｐｔ、Ａｕを好んで使用することができる。尚、この第１及び第２の電極膜４、６の膜厚は、適宜の薄膜であれば特に限定されるものではないが、好ましくは１００〜５００ｎｍに設定される。

また、誘電体薄膜５及び絶縁体薄膜７に使用される薄膜材料としては、高誘電率を有する誘電体材料が使用される。具体的には、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３（以下、「ＢＳＴ」という。）、ＳｒＴｉＯ_３、ＢａＴｉＯ_３や、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３、ＳｒＢｉ_４Ｔｉ_４Ｏ₁₅等のビスマス層状化合物等を使用することができるが、これらの中ではＢＳＴが好んで使用される。

また、誘電体薄膜５の膜厚としては、所望の静電容量を確保できるような膜厚であれば特に限定されるものではないが、好ましくは８０〜１５０ｎｍ程度に設定される。

さらに、絶縁体薄膜７の膜厚としては、絶縁膜９の成分が誘電体薄膜５にまで拡散して特性低下を招かないような膜厚であれば特に限定されるものではないが、誘電体薄膜５と同様、好ましくは８０〜１５０ｎｍ程度に設定される。

また、第１及び第２の引出電極１２、１３は、Ｔｉ等で形成された第１層とＣｕ等で形成された第２層からなる二層構造とされ、第１層は、例えば１００ｎｍに形成され、第２層は、例えば１０００ｎｍに形成される。

また、外部接続電極１４、１５は、Ｎｉ等で形成された第１層とＡｕ等で形成された第２層とからなる二層構造とされ、第１層は、例えば２０００ｎｍに形成され、第２層は、例えば２００ｎｍに形成される。

そして、本薄膜キャパシタは、第１及び第２の引出電極１２、１３の外部接続電極１４、１５の形成部位を除く上面を覆うように膜厚２００〜１０００ｎｍの無機保護膜１６が形成され、かつ該無機保護膜１６の表面には膜厚が２０００〜１００００ｎｍの有機保護膜１７が形成されている。

尚、無機絶縁膜１０及び無機保護膜１６としては、ＳｉＮ_ｘ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２等を使用することができ、有機絶縁膜１１及び有機保護膜１７としては、ポリイミド樹脂やエポキシ樹脂等を使用することができる。

次に、上記薄膜キャパシタの製造方法を図２及び図３に基づき詳述する。

まず、図２（ａ）に示すように、Ｓｉ基板２に熱酸化処理を施し、膜厚５００〜１０００ｎｍのＳｉＯ_２からなる酸化物層１を形成する。

次いで、化学溶液堆積（Chemical Solution Deposition；以下「ＣＳＤ」という。）法により酸化物層１上に膜厚１０〜１００ｎｍの密着層３を形成する。密着層３としては、ＢＳＴ、ＳｒＴｉＯ_３、ＢａＴｉＯ_３や、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３等のペロブスカイト化合物、ＳｒＢｉ_４Ｔｉ_４Ｏ₁₅等のビスマス層状化合物等を使用することができるが、誘電体層と同材料が望ましい。例えば、ＢＳＴ膜を形成する場合は、Ｂａ、Ｓｒ、Ｔｉが、モル比で例えばＢａ：Ｓｒ：Ｔｉ＝７：３：１０に配合された成膜原料溶液を用意する。そして、この成膜原料溶液を酸化物層１上に塗布し、３００〜４００℃のホットプレ−ト上で乾燥させ、６００〜７００℃の温度で１０〜６０分間、熱処理を行って結晶化させ、ＢＳＴ膜を形成する。

次に、第１の導電層４′、第１の絶縁体層５′、第２の導電層６′及び第２の絶縁体層７′を順次成膜する。具体的には、ＲＦマグネトロンスパッタ法により膜厚１００〜５００ｎｍのＰｔやＡｕからなる第１の導電層４′を形成し、次いで、密着層３と同様、ＣＳＤ法によりＢＳＴ等からなる膜厚８０〜１５０ｎｍの第１の絶縁体層５′を形成し、その後、第１の導電層４′と同様、ＲＦマグネトロンスパッタ法により膜厚１００〜５００ｎｍのＰｔやＡｕからなる第２の導電層６′を形成する。さらに、ＣＳＤ法によりＢＳＴ等からなる膜厚８０〜１５０ｎｍの第２の絶縁体層７′を形成する。

次に、フォトリソグラフィー技術及びアルゴンイオンミリング法を使用し、図２（ｂ）に示すように、絶縁体薄膜７、第２の電極膜６、誘電体薄膜５、及び第１の電極膜４を作製する。すなわち、フォトレジストを塗布してプリベークした後、フォトマスクを介して紫外光をフォトレジストに照射し、露光、現像、ポストベークを行なってフォトマスクパターンをレジストパターンに転写する。次いで、アルゴンイオンミリング法によりアルゴンイオンをエッチング面に衝突させて第２の絶縁体層７′、第２の導電層６′、第１の絶縁体層５′、第１の導電層４′、密着層３の所定領域をエッチングし、絶縁体薄膜７、第２の電極膜６、誘電体薄膜５及び第１の電極膜４を順次形成し、これによりキャパシタ部８が作製される。

そしてこの後、このキャパシタ部８を８００〜９００℃の温度で約３０分間熱処理する。

次に、キャパシタ部８の上面及び側面、密着層３の側面を覆うように、スパッタリング法により膜厚２００〜１０００ｎｍの無機材料からなる絶縁層を形成し、次いで、スピンコ−ト法で感光性樹脂材料を、前記絶縁層を覆うように塗布し、その後、１２５℃の温度で５分間加熱し、露光、現像処理を行った後、３５０℃で１時間程度加熱し、膜厚が２０００〜１００００ｎｍの所定パターンの有機材料からなる絶縁層を形成する。

次に、有機材料からなる絶縁層をマスクとし、ＣＨＦ_３ガスを用い無機材料からなる絶縁層９及びＳｉＯ_２からなる酸化物層１をドライエッチングし、図２（ｃ）に示すように、無機絶縁膜１０及び有機絶縁膜１１からなる絶縁膜９を形成し、第１の電極膜４及び第２の電極膜６の一部を表面露出させる。

次に、ＲＦマグネトロンスパッタ法を使用し、第１及び第２の引出電極１２、１３となるべき２層の金属層を形成し、次いで、電解めっきを行って、二層構造のめっき皮膜を形成し、第１及び第２の外部接続電極１４、１５を形成する。そしてこの後、上述したフォトリソグラフィー技術を使用してフォトマスクパターンをレジストパターンに転写し、アルゴンイオンミリング法を使用してエッチングし、これにより、図３（ｄ）に示すように、第１及び第２の外部接続電極１４、１５を上面に有する第１及び第２の引出電極１２、１３を形成する。

次に、図３（ｅ）に示すように、スパッタリング法により第１及び第２の外部接続電極１４、１５の上面、絶縁膜９の上面及び側面、ＳｉＯ_２からなる酸化物層１の側面を覆うように膜厚２００〜１０００ｎｍの無機材料からなる絶縁層１６′を成膜する。次いで、スピンコ−ト法で感光性樹脂材料を前記絶縁層を覆うように塗布し、その後、１２５℃の温度で５分間加熱し、露光、現像処理を行った後、３５０℃で１時間程度加熱し、膜厚が２０００〜１００００ｎｍの有機保護膜１７を形成する。

次に、有機保護膜１７をマスクとし、ＣＨＦ_３ガスを用い無機材料からなる絶縁層１６′をドライエッチングし、これにより図３（ｆ）に示すように、外部接続電極１４、１５が表面露出し、無機保護膜１６が形成され、薄膜キャパシタが得られる。

このように本実施の形態では、第１及び第２の引出電極１２、１３は、外部電子部品との接続部位を除く部位が無機保護膜１６で被覆されているので、有機絶縁膜１１が周辺環境に晒されることがない。したがって、有機絶縁膜１１の吸湿・膨張に起因して応力が発生するのを回避することができ、第１及び第２の引出電極１２、１３が保護膜９から剥離してキャパシタ部８に水分が浸入するのを防止することができる。また、このように耐湿性が向上するので、電極腐食や界面劣化を防止することができる。

しかも、無機保護膜１６が、有機保護膜１７で被覆されているので、実装時に使用するはんだによる第１及び第２の引出電極１２、１３の腐食をより効果的に防止することができる。

また、キャパシタ部８は、第２の電極膜６の上面に絶縁体薄膜７が形成されているので、無機絶縁膜１０の成分が誘電体薄膜５にまで拡散して特性低下を招くのを回避することができ、したがってキャパシタ部８の絶縁抵抗が低下するのを抑制することができる。

尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、上記実施の形態で示した各層の膜厚、形成方法、形成条件等は単なる例示であって、薄膜キャパシタとして所期の機能を損なわない範囲で任意に変更可能であるのはいうまでもない。

また、上記実施の形態では、キャパシタ部８が、一つの容量発生部を有する単層構造の場合について説明したが、二つ以上の容量発生部を有する多層構造の場合にも同様に適用できるのはいうまでもない。

次に、本発明の実施例を説明する。

上述した発明を実施するための形態に即して実施例試料を作製した。

表１は、各層の形成材料、膜厚、形成方法を示している。

また、無機保護膜及び有機保護膜を形成しなかった以外は、実施例試料と同様の方法・手順により比較例試料を作製した。

そして、実施例試料及び比較例試料の各５個について、ＰＣＴ（Pressure Cooker Test）を行い、信頼性を評価した。すなわち、温度１２１℃、相対湿度８５％の高温多湿下、４８時間放置し、短絡の有無、静電容量の低下率、及び抵抗値の低下率により、信頼性を評価した。

ここで、短絡テスト評価は、外部接続電極間を導通チェックして評価した。静電容量の評価は、ＰＣＴ前後の静電容量を静電容量計で測定し、静電容量が１０％以上低下したものを不良品と判定した。抵抗値の評価は、ＰＣＴ前後の抵抗値を抵抗計で測定し、抵抗値が１０％以上低下したものを不良品と判定した。

表２は、５個中の不良品個数を示している。

表２から明らかなように実施例試料及び比較例試料共、短絡は生じず、静電容量の低下率も１０％以内で良好であった。

しかしながら、比較例試料は、抵抗値が５個中２個で１０％以上低下した。

これに対し本発明の実施例試料は、抵抗値が１０％以上低下した試料はなく、耐湿性の向上を図れることが分かった。

周囲環境によって吸湿、膨張しないので、高温多湿下での用途に適した薄膜キャパシタを提供できる。

４第１の電極膜
５誘電体薄膜
６第２の電極膜
７絶縁体薄膜
８キャパシタ部
９絶縁膜
１０無機絶縁膜
１１有機絶縁膜
１２第１の引出電極
１３第２の引出電極
１４第１の外部接続電極
１５第２の外部接続電極
１６無機保護膜
１７有機保護膜

Claims

第１の誘電体薄膜の下面に第１の電極膜が形成されると共に前記第１の誘電体薄膜の上面に第２の電極膜が形成されたキャパシタ部と、外表面が有機材料で形成されて前記キャパシタ部を被覆する少なくとも一層以上の絶縁保護膜と、該絶縁保護膜を貫通して前記第１及び第２の電極膜のうちのいずれか一方に電気的に接続されると共に、互いに電気的に絶縁された第１及び第２の引出電極とを備え、
前記第１及び第２の引出電極は、外部電子部品との接続部位を除く部位が無機保護膜で被覆されていることを特徴とする薄膜キャパシタ。
前記無機保護膜が、有機保護膜で被覆されていることを特徴とする請求項１記載の薄膜キャパシタ。
前記キャパシタ部は、前記第２の電極膜の上面には前記第１の誘電体薄膜と同一材料からなる第２の誘電体薄膜が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の薄膜キャパシタ。