JP3709117B2

JP3709117B2 - 薄膜電子部品および基板

Info

Publication number: JP3709117B2
Application number: JP2000092472A
Authority: JP
Inventors: 潤哉高藤; 俊一久和
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-03-29
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2005-10-19
Anticipated expiration: 2020-03-29
Also published as: JP2001284485A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は薄膜電子部品および基板に関し、例えば、薄膜コンデンサ、薄膜インダクタ、薄膜フィルタ等に好適に用いられる高周波用途の薄膜電子部品および基板に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、電子機器の小型化、高機能化に伴い、電子機器内に設置される電子部品にも小型化、薄型化、高周波対応などの要求が強くなってきている。特に、大量の情報を高速に処理する必要のあるコンピュータの高速デジタル回路では、パーソナルコンピュータレベルにおいても、ＣＰＵチップ内のクロック周波数は２００ＭＨｚから１ＧＨｚ、チップ間バスのクロック周波数も７５ＭＨｚから１３３ＭＨｚという具合に高速化が顕著である。
【０００３】
また、ＬＳＩの集積度が高まりチップ内の素子数の増大につれ、消費電力を抑えるために電源電圧は低下の傾向にある。これらＩＣ回路の高速化、高密度化、低電圧化に伴い、コンデンサ等の受動部品も小型大容量化と併せて、高周波もしくは高速パルスに対して優れた特性を示すことが必須になってきている。
【０００４】
また、素子数の増大に伴う実装精度の向上や、部品実装に伴うリフロー耐性の向上等、前述した受動素子自身の電気的な特性だけではなく、実装に関する特性（実装精度、実装信頼性）も高いレベルで要求されるようになってきている。
【０００５】
コンデンサの接続部のインダクタンスを低減させる手法に関して、ＵＳＰ４，４３９，８１３に、ＴｉＷ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｕからなる下側電極からの電気信号を最短距離で得るため、絶縁層、上側電極および保護層に貫通孔を設け、この貫通孔の内面にＣｒ／Ｃｕ／ＡｕからなるＢＬＭ層を形成した後、このＢＬＭ層上に半田バンプを形成した薄膜コンデンサが開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
受動部品の高周波用途を考慮する場合、高周波での損失の小さい材料が電極および導体として用いられる。低抵抗な電極材料として、Ｃｕ、Ｎｉ、ＡｇおよびＡｕが考えられるが、Ｃｕ、Ｎｉは耐酸化性に問題があり、誘電体薄膜形成時、磁性体薄膜形成時等、高温での処理が必要な薄膜コンデンサや薄膜インダクタにおいては電極として使用するのが困難であった。
【０００７】
また、Ａｇは耐酸化性の点ではＣｕ、Ｎｉに比較して優れているものの、マイグレーションおよび絶縁層との反応の問題があり、絶縁層の薄い薄膜部品の電極として使用するのは困難であった。
【０００８】
一方、Ａｕは低抵抗でかつ耐酸化性が良好であり、絶縁体および磁性体との反応もないため、高周波用途の薄膜コンデンサや薄膜インダクタの電極として十分使用可能である。
【０００９】
しかしながら、受動部品の抵抗を下げるためにＡｕ電極を用いた場合、接続強度やリフロー耐性に関して問題があった。即ち、Ａｕは、通常、半田との密着層として用いられるほど、半田と反応しやすく、すぐにＡｕ−Ｓｎ合金を形成する。このＡｕ−Ｓｎ合金は固くて脆い金属であり、半田と電極との界面に厚い合金層が形成されると、半田からなる外部端子の密着強度が劣化するという問題があった。
【００１０】
そこで、Ａｕ電極と半田からなる外部端子との間に半田拡散防止層を形成することが考えられるが、従来、スパッタ法等の薄膜形成法では、コストの点や残留応力等の点により薄い半田拡散防止層しか形成できなかったため、半田拡散防止層の欠陥からＡｕ電極に半田が拡散し、半田拡散防止層直下のＡｕ電極と反応するという問題があった。即ち、スパッタ法等の薄膜形成法により形成された膜は、結晶粒が膜厚み方向に成長するため、結晶粒の粒界から半田が拡散し、Ａｕ電極と反応し、電極間でショートしたり、Ａｕ電極消失による特性劣化などのリフロー耐性に問題が生じてしまう。
【００１１】
このような問題に対して、半田拡散防止層の厚みを厚くすることで対応可能であるものの、上記したように、高コストになったり、あるいは膜の残留応力により変形等が生じ、薄膜電子部品を作製することが困難であった。
【００１２】
本発明は、薄い半田拡散防止層により半田の拡散を防止できる薄膜電子部品および基板を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の薄膜電子部品は、支持基板と、該支持基板上に設けられ、絶縁体層および電極層を有する薄膜素子と、前記電極層に半田拡散防止層を介して接続され、半田からなる外部端子とを具備するとともに、前記半田拡散防止層が、薄膜形成法により形成された同一材料層を２層以上積層してなるものである。
【００１４】
このような半田拡散防止層はスパッタリング法で形成され、電極層としてＡｕからなることが効果的である。
【００１５】
このようにスパッタリング法により形成された層は、結晶粒が層厚み方向に成長するため、その結晶粒の間に粒界が存在する。本発明では、同一材料層を２層以上積層して半田拡散防止層を構成することにより、１層目の同一材料層とその上層の同一材料層では、結晶粒の形成位置が異なる（不連続）ことに起因して、同一材料層の結晶粒の粒界が厚み方向に直線的に形成されず、一旦界面で不連続となり、１層目の同一材料層の粒界がその上層の同一材料層の結晶粒により閉塞されたり、あるいは１層目の同一材料層と上層の同一材料層の粒界が接続されるとしても迂回して接続され、半田の拡散経路を途絶あるいは長くでき、薄い半田拡散防止層であっても、Ａｕからなる電極層への半田の拡散を抑制でき、リフロー工程における薄膜電子部品の耐リフロー性を向上できる。
【００１６】
また、本発明では、半田拡散防止層の厚みが３μｍ以下であることが望ましい。このように半田拡散防止層の厚みを３μｍ以下とすることにより、薄膜形成法により作製する場合でも低コスト化できるとともに、残留応力による破損を防止できる。
【００１７】
また、本発明の基板は、上記薄膜電子部品を、その外部端子を介して基体の表面に設けてなるものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の薄膜コンデンサからなる薄膜電子部品を示すもので、この薄膜コンデンサは、支持基板１上に、絶縁体層３（誘電体薄膜）と電極層５、７を有する薄膜素子Ａが複数設けられて構成されている。電極層５、７はＡｕから構成され、絶縁体層３は電極層５、７により挟持されて、薄膜素子Ａ（容量素子）が構成されている。
【００１９】
薄膜コンデンサの誘電体薄膜を構成する絶縁体層３は、高周波領域において高い比誘電率を有するペロブスカイト型酸化物結晶からなる誘電体でよく、例えばＰｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ₃系、Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ₃−ＰｂＴｉＯ₃系、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃系、Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ₃−Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃系、（Ｐｂ，Ｌａ）ＺｒＴｉＯ₃系、ＢａＴｉＯ₃系、（Ｓｒ，Ｂａ）ＴｉＯ₃系、あるいはこれに他の添加物を添加したり、置換した化合物であってもよく、特に限定されるものではない。
【００２０】
また、絶縁体層３の膜厚は、高容量と絶縁性を確保するため０．３〜１．０μｍが望ましい。これは０．３μｍよりも薄い場合には被覆性が良好でなく、絶縁性が低下する場合があり、１．０μｍよりも厚い場合には、容量が小さくなる傾向があるからである。絶縁体層３の膜厚は０．４〜０．８μｍが望ましい。
【００２１】
Ａｕからなる電極層５、７の膜厚は、高周波領域でのインピーダンスと膜の被覆性を考慮すると０．３〜０．５μｍが望ましい。電極層５、７の膜厚が０．３μｍよりも薄い場合には、一部に被覆されない部分が発生する虞があるからであり、また０．５μｍよりも厚い場合は、高周波領域における導体の表皮効果を考慮すると導体層の抵抗は殆ど変化しないからである。
【００２２】
保護層９は、薄膜コンデンサの表面を保護するためのものであり、例えば、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ₂、ポリイミド樹脂およびＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）等から構成されている。
【００２３】
ここで、支持基板１としては、アルミナ、サファイア、窒化アルミ、ＭｇＯ単結晶、ＳｒＴｉＯ₃単結晶、表面酸化シリコン、ガラス、石英等から選択されるもので特に限定されない。
【００２４】
薄膜素子Ａ、および絶縁体層３が形成されていない絶縁体層非形成領域Ｂは保護層９により被覆され、この保護層９には、半田バンプからなる異なる極性の一対の外部端子１１ａ、１１ｂが突出して設けられている。これらの外部端子１１ａ、１１ｂは、絶縁体層非形成領域Ｂにおける保護層９に形成された貫通孔１３ａ、１３ｂ内に形成されている。外部端子１１ａは下側の電極層５に電気的に接続され、外部端子１１ｂは上側の電極層７に電気的に接続されている。
【００２５】
外部端子１１ａ、１１ｂは、Ｐｂ、Ｓｎ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｂｉ、ＳｂおよびＺｎのうち少なくとも２種以上の金属からなることが望ましく、薄膜電子部品の用途に応じて、融点及び共晶温度の異なる材料を選択すればよい。また、外部端子１１ａ、１１ｂはスクリーン印刷、ボールマウンター等の公知の技術を用いて形成される。
【００２６】
下側電極層５は、外部端子１１ｂを取り囲むように環状にエッチングされ、容量を形成する下側電極層５ａと容量を形成しない下側電極層５ｂとに分離されている。
【００２７】
また、上側電極層７は、絶縁体層３上において外部端子１１ａを取り囲むように環状にエッチングされ、容量を形成する上側電極層７ａと容量を形成しない上側電極層７ｂとに分離されている。
【００２８】
そして、上側電極層７上には半田拡散防止層２１が形成されており、その形成範囲は上側電極層７と同一領域とされ、この半田拡散防止層２１は、スパッタリング法により同一材料層を２層以上積層して構成されている。
【００２９】
このようにスパッタリング法により２回に分けて同一材料層を形成することにより、図２に示すように、下側の同一材料層２１ａと上側の同一材料層２１ｂとが形成され、それぞれの同一材料層２１ａ、２１ｂにおいて厚み方向に結晶粒が成長しており、それぞれの結晶粒は形成位置が異なり、不連続とされ、その粒界については同一材料層２１ａの粒界が同一材料層２１ｂの結晶粒により閉塞されたり、あるいは結晶粒の粒界が厚み方向に直線的に形成されず、一旦界面で不連続となっている。尚、図２（ｂ）は半田拡散防止層２１近傍の断面図であり、図２（ａ）は（ｂ）の一部拡大図であり、この（ａ）において白地の部分が結晶粒であり、黒地の部分が粒界であり、ここでスパッタリング法により２回分けて同一材料層を形成するとは、一層目の同一材料層を作製した後、一旦スパッタ放電を停止したり、あるいは蒸着物と被蒸着物との間にシャッタを入れた後、再度同一材料層をスパッタリング法により作製することにより、同一材料層が2層積層された半田拡散防止層２１が作製される。
【００３０】
半田拡散防止層２１は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔから選ばれる１種の金属からなり、半田拡散防止層２１の膜厚は、半田バリアの機能を発現するためには３μｍ以下、特には１〜３μｍの厚みが望ましい。半田拡散防止層２１とＡｕからなる上側電極層７との密着性を向上させるために、これらの間に公知の密着材料であるＴｉやＣｒを介在させても良い。尚、半田拡散防止層２１は同一材料層を２層以上積層して構成しても良いことは勿論である。
【００３１】
そして、図１に示すように、半田拡散防止層２１の上面であって、且つ絶縁体層３が形成されていない絶縁体層非形成領域Ｂには、半田濡れ性の良好な半田密着層２２が形成されている。半田濡れ性の良好な材料として、Ｎｉ−Ｃｒ、Ａｕ等があり、特にＡｕが望ましい。半田密着層２２の膜厚は、その機能を発現するためには０．０１〜０．０５μｍの厚みであれば良い。また、図１に示したように、半田密着層２２は、半田拡散防止層２１よりも狭い面積で形成されることが、半田の上側電極層７への拡散を防止するという点から望ましい。
【００３２】
外部端子１１ａは、下側電極５ａ、上側電極７ｂ、半田拡散防止層２１、半田密着層２２を介して支持基板１に接合されており、外部端子１１ｂは、下側電極５ｂ、上側電極７ａ、半田拡散防止層２１、半田密着層２２を介して支持基板１に接合されている。
【００３３】
上記のようにして構成された薄膜電子部品は、外部端子１１ａ、１１ｂを、基体（母基板）の表面の電極に接続して用いられる。
【００３４】
以上のように構成された薄膜電子部品では、薄膜素子Ａの電極層５、７として、抵抗の小さいＡｕからなる電極層５、７を用いたため、高周波での抵抗を低下でき、薄膜素子Ａの高周波化を促進できる。さらに、高誘電率のペロブスカイト型酸化物を絶縁体層３として使用できるため、高容量の薄膜コンデンサを形成でき、高周波でのインピーダンスを低下することができる。
【００３５】
また、Ａｕからなる電極層５、７を用いたとしても、外部端子１１ａ、１１ｂが、半田拡散防止層２１を介して電極層５、７に電気的に接続されており、半田と電極層５、７との界面における合金層の形成が防止され、外部端子１１の密着強度の劣化を抑制できるとともに、リフロー時に半田成分がＡｕからなる電極層５、７を介して拡散することを防止でき、電極層５、７間のショートや、Ａｕからなる電極層５、７の消失による特性劣化を抑制でき、リフロー耐性を向上できる。
【００３６】
そして、本発明では、半田拡散防止層２１を、スパッタリング法により２回に分けて、下側の同一材料層２１ａと上側の同一材料層２１ｂとから構成したので、それぞれの同一材料層２１ａ、２１ｂにおいて厚み方向に結晶粒が成長しており、それぞれの結晶粒は形成位置が異なり、不連続とされ、その粒界については同一材料層２１ａの粒界が同一材料層２１ｂの結晶粒により閉塞されたり、あるいは結晶粒の粒界が厚み方向に直線的に形成されず、一旦界面で不連続となっており、半田の拡散経路を途絶あるいは長くでき、薄い半田拡散防止層２１であっても、Ａｕからなる電極層５、７への半田の拡散を抑制でき、リフロー工程における薄膜電子部品の耐リフロー性を向上できる。
【００３７】
尚、本発明での電極層５、７の材料は低抵抗であり、かつ高温での耐酸化性及び誘電体材料との反応の小さいＡｕからなる材料であるが、支持基板１との密着性を上げるために、電極層５、７と支持基板１との間にＴｉやＣｒに代表される密着層を介在しても良い。
【００３８】
また、上記例では、本発明を薄膜コンデンサに適用した例について説明したが、本発明では上記例に限定されるものではなく、例えば、薄膜インダクタ、薄膜ＬＣフィルタ、あるいはこれらを複合した薄膜複合部品に適用しても良い。
【００３９】
また、上記例では、一層の絶縁体層を電極層で挟持した単板型を示したが、複数の絶縁体層と電極層とを交互に積層した薄膜コンデンサであっても良い。
【００４０】
尚、上記例では、Ａｕからなる半田密着層２２を形成した例について説明したが、外部端子の材質によっては、例えばＰｂ、Ｓｎの金属からなる外部端子については、半田密着層を介在せずとも半田拡散防止層に密着するため、外部端子の密着強度の劣化を抑制できる。
【００４１】
【実施例】
電極層ならびに半田拡散防止層、半田密着層の形成はＤＣスパッタ法を、絶縁体層はゾルゲル法にて作製した。
【００４２】
先ず、アルミナからなる支持基板上にＴｉからなる１０ｎｍの密着層を形成し、この密着層の上面に、０．３μｍのＡｕ層を形成し、下側電極層とした。フォトリソグラフィ技術を用いて、下側電極層をパターン加工した。
【００４３】
加工された下側電極層に、ゾルゲル法にて合成したＰｂ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ₃−ＰｂＺｒＯ₃塗布溶液を、スピンコート法を用いて塗布し、乾燥させた後、３８０℃で熱処理、８１０℃で焼成を行い、膜厚０．８μｍのＰｂ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃−ＰｂＴｉＯ₃−ＰｂＺｒＯ₃からなる絶縁体層を形成した。その後フォトリソグラフィ技術を用いて、絶縁体層に貫通孔を形成した。
【００４４】
次に、絶縁体層の上面に、膜厚３０ｎｍのＴｉ層を形成して密着層を形成し、この密着層の上面に膜厚０．３μｍのＡｕ層を形成し、上側電極層とし、この上側電極層上に、先ず膜厚１．５μｍのＮｉ層からなる同一材料層を形成した後、蒸着を一旦停止し、この後再度Ｎｉからなる同一材料層を形成することにより、膜厚３μｍのＮｉ層を形成し、半田拡散防止層とし、この半田拡散防止層上に、膜厚０．０１μｍのＡｕからなる半田密着層を形成した。このあと、フォトリソグラフィ技術を用いて、半田密着層を加工後、上側電極層及び半田拡散防止層を加工した。
【００４５】
この後、光感光性ＢＣＢを塗布し、露光、現像を行い、半田密着層が露出するように、直径約１００μｍ、深さ４．０μｍの貫通孔を有する保護層を形成した。
【００４６】
最後に、スクリーン印刷を用いて、加工された半田拡散防止層の上にＰｂが９５重量％、Ｓｎが５重量％からなる高温半田ペーストを転写し、リフローを行い、外部端子を形成し、図１に示したような薄膜コンデンサを得た。
【００４７】
得られた薄膜コンデンサの有効電極面積は１．４ｍｍ² であり、周波数１ｋＨｚでの静電容量は約４０ｎＦであった。
【００４８】
ＤＣスパッタ法により、膜厚３μｍのＮｉ層（同一材料層）を一度に形成して半田拡散防止層とする以外は、上記と同様にして比較例の薄膜コンデンサを作製した。
【００４９】
得られた薄膜コンデンサについて、外部端子のボールシェア強度を、シェア強度テスターを用いて各リフロー後に測定し、その結果を図３に示した。また、薄膜コンデンサの容量値を各リフロー後に測定し、その結果を図４に示した。
【００５０】
図３から、繰り返しリフロー処理後のボールシェア強度を測定した結果、膜厚３μｍの半田拡散防止層を一挙に作製した比較例では、リフロー１回目ですでに１０％強度が低下し、２回目ではイニシャルの約７０％の強度しかないのに対して、本発明の薄膜コンデンサでは、リフロー１０回目でもイニシャルの約５％程度しか低下しておらず、外部端子の強度劣化が改善されていることが判る。
【００５１】
図４から、比較例の試料では、リフロー３回目から、静電容量が急激に低下し、７回目でショートが発生した。この静電容量の低下は半田のＡｕ電極層への拡散により、容量を形成する電極層の有効面積が低下したためである。また７回目では極性の異なる電極層間が半田の拡散により短絡したため、導通が生じていることが判る。
【００５２】
これに対し、本発明の薄膜コンデンサでは、リフロー１０回目においても、容量の変化はほとんど生じていないことから、半田の拡散及び外部端子の熱収縮に伴う応力は絶縁体層にはほとんど影響されず、絶縁が確保されていることがわかる。
【００５３】
また、膜厚１μｍからなるＮｉ層（同一材料層）を２回に分けて形成することにより、膜厚２μｍのＮｉ層からなる半田拡散防止層を形成したところ、上記した半田拡散防止層の厚みが３μｍの場合と同様の効果を示すことを確認した。
【００５４】
また、半田バンプの組成以外のプロセスは同様にして、Ｐｂ９５Ｓｎ５半田、Ｓｎ−３．５Ａｇ半田、Ｓｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕ半田の半田バンプを有する薄膜コンデンサを作製し、同様の評価を行った。リフロー温度こそ半田バンプ組成によって異なるものの、密着強度の劣化、および静電容量の挙動は共晶半田バンプでの結果と同様であり、本発明の構造がリフロー耐性に対して大きな効果があることを確認した。
【００５５】
【発明の効果】
本発明の薄膜電子部品は、同一材料層を２層以上積層して半田拡散防止層を構成することにより、１層目の同一材料層とその上層の同一材料層では、結晶粒の形成位置が異なる（不連続）ことに起因して、同一材料層の結晶粒の粒界が厚み方向に直線的に形成されず、一旦界面で不連続となり、１層目の同一材料層の粒界がその上層の同一材料層の結晶粒により閉塞されたり、あるいは１層目の同一材料層と上層の同一材料層の粒界が接続されるとしても迂回して接続され、半田の拡散経路を途絶あるいは長くでき、薄い半田拡散防止層であっても、Ａｕからなる電極層への半田の拡散を抑制でき、リフロー工程における薄膜電子部品の耐リフロー性を向上できる。
【００５６】
また、半田拡散防止層の材質をＮｉに選択した際、半田拡散防止層と外部端子間に、通常外部端子の密着層として用いられるＡｕを使用せずとも外部端子の密着は確保でき、その結果、半田拡散防止層直下のＡｕと半田の材質の１つであるＳｎとが合金が生成されることも無く、外部端子の密着強度の劣化をさらに抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の薄膜電子部品を示す断面図である。
【図２】半田拡散防止層を示すもので、（ａ）は（ｂ）の断面図である。
【図３】リフロー回数とボールシェア強度の関係を示すグラフである。
【図４】リフロー回数と静電容量の関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１・・・支持基板
３・・・絶縁体層
５・・・下側電極層
７・・・上側電極層
１１ａ、１１ｂ・・・外部端子
２１ａ、２１ｂ・・・半田拡散防止層
Ａ・・・薄膜素子

Claims

支持基板と、該支持基板上に設けられ、絶縁体層および電極層を有する薄膜素子と、前記電極層に半田拡散防止層を介して接続され、半田からなる外部端子とを具備するとともに、前記半田拡散防止層が、薄膜形成法により形成された同一材料層を２層以上積層してなることを特徴とする薄膜電子部品。
同一材料層はスパッタリング法で形成されていることを特徴とする請求項１記載の薄膜電子部品。
電極層がＡｕからなることを特徴とする請求項１または２記載の薄膜電子部品。
半田拡散防止層の厚みが３μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の薄膜電子部品。
請求項１乃至４のうちいずれかに記載の薄膜電子部品を、その外部端子を介して基体の表面に設けてなることを特徴とする基板。