CN100594567C - 电子元件 - Google Patents
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Abstract
一种电子元件，包括衬底、电容器以及布线。电容器具有多层结构，该多层结构包括：设置在衬底上的第一电极膜、厚度为2μm到4μm且被设置成面对第一电极膜的第二电极膜、以及置于第一与第二电极膜之间的电介质膜。布线包括结合部分，该结合部分连接到第二电极膜，并位于电介质膜的相对侧。
Description
技术领域
本发明涉及一种包括电容器的电子元件，该电容器设置于衬底上，例如通过半导体加工技术形成。
背景技术
在射频(RF)系统例如移动电话或无线LAN中，信号受到相位匹配处理以令人满意地在构成系统的功能器件间进行传输。相应地，各器件的输入/输出(I/O)端配置有无源元件，该无源元件包括电感器或电容器之类无源元件，且用作控制信号相位的移相器。
在RF系统中，采用SAW滤波器作为窄带频率滤波器。在整合有SAW滤波器的装置的制造过程中，当物理冲击或热效应被施加到SAW滤波器或其压电元件时，包括压电元件的SAW滤波器因压电效应而在各压电元件电极之间产生电势差。在此情况下，预定电压被施加到与SAW滤波器电连接的电子元件上。包含在无源元件(移相器)中的电容器通常被电连接到SAW滤波器，因此该电容器必须具有较高的耐受电压(例如150V或更高)以防止各电容器电极之间的电介质击穿，而电介质击穿可能发生在SAW滤波器或其压电元件意外产生的电压施加的时候。
在为达到更高性能而增加部件数目的驱动之下，持续地需要减小构成RF系统的各部件的尺寸。为使系统尺寸减小，可采用基于半导体加工技术制造的集成无源器件(以下称之为IPD)作为无源元件(移相器)，上述集成无源器件包括密集集成在其中的多个预定无源元件，例如电感器、电容器、电阻器以及滤波器。在采用IPD时，其中包含的电容器仍然必须具有较高的耐受电压，以防止如上所述的各电容器电极间的电介质击穿。与IPD相关的技术举例来说可参阅JP-A-H04-61264和JP-A-2002-33239。
图9是示出传统IPD 90的一部分的示意性横截面图。IPD 90包括衬底91、各自包括一个电容器92并集成在衬底91上的多个无源元件、布线93以及保护膜94。电容器92具有多层结构，该多层结构包括电极膜92a(下电极膜)、电极膜92b(上电极膜)、及电介质膜92c。布线93包括连接到电极膜92b的结合部分93a。
电极膜92b具有大约1μm的厚度。为形成电极膜92b，在衬底91上形成导体膜，该导体膜覆盖已形成在衬底91上的电极膜92a和电介质膜92c，此后用作电极膜92b。然后，将具有对应于电极膜92b的图案的抗蚀膜设置在导体膜上，并利用该抗蚀膜作为掩模进行离子研磨处理，以根据上述图案将导体膜图案化。当进行这种减去处理(subtractive process)以形成电极膜92b时，导体膜或电极膜92b越薄，则能够越准确地形成电极膜92b的图案(从而，能够越准确地形成电极膜92b的面积)。电极膜92b的面积精度影响到电容器92的静态电容精度，这就是在传统IPD 90中电极膜92b形成为大约1μm厚以取得高精度静态电容的原因。
相比之下，布线93(包括结合部分93a)形成为具有相对较大的厚度。使布线93增厚能够减小其电阻，而从降低通过IPD 90的信号损耗的观点看，电阻减小是优选的。因此，布线93例如形成为具有大约10μm的厚度。
然而，传统IPD 90的电容器92经常具有低于实际可接受水平的耐受电压，这必须要解决。为提高电容器92的耐受电压，以更大厚度形成电介质膜92c是一种选择方案。但增加电介质膜92c的厚度就需要增加电极膜92b的面积，因为否则的话，就不能保持电容器92的静态电容。因此，从抑制电容器92尺寸增加、从而抑制IPD 90尺寸增加的观点看，增加电介质膜92c的厚度是不可取的。
发明内容
本发明是在上述情形下提出的。本发明的目的是提供一种电子元件，该电子元件包括有利于实现高耐受电压的电容器。
本发明提供一种电子元件，其包括衬底、电容器、布线、电极焊盘及保护膜。上述电容器具有多层结构，该多层结构包括：第一电极膜(下电极膜)，设置在衬底上；第二电极膜(上电极膜)，具有2μm到4μm的厚度，并设置成面对第一电极膜；以及电介质膜，置于第一与第二电极膜之间。布线包括结合部分，该结合部分连接到第二电极膜，并位于电介质膜的相对侧。电极焊设盘置在所述衬底上并经由所述布线电连接至所述电容器的第二电极膜。保护膜设置在所述衬底上，用于至少覆盖所述电容器和所述布线。其中，所述电极焊盘的高度大于所述电容器的所述第二电极膜的高度，并且所述电极焊盘包括由所述保护膜暴露的一部分。根据本发明的电子元件包括单个电容器元件以及结合了电容器元件和其它元件的集成电子元件。
根据本发明人所做的研究已经发现，在传统IPD 90的电容器92中，一旦发生电介质击穿，电介质膜92c就易于在与布线93的结合部分93a的周边对应的那部分中引起膜结构的破裂。应力应变集中在相对较厚的结合部分93a的周边上，并且应力应变被认为在出现电介质击穿之前，即在电容器92中经大约1μm这样薄的电极膜92b传播到电介质膜92c，从而在与结合部分93a的周边对应的那部分电介质膜92c的膜结构内，产生比电介质膜92c的其余部分更多的缺陷。这被认为是在电容器92中，电介质膜92c易于在与结合部分93a的周边对应的那部分中引起膜结构破裂的原因。
本发明人还发现，采用厚度为10μm的上电极膜代替电极膜92b，一旦施加过高电压，即在与上电极膜的周边对应的那部分电介质膜92c中，而不是在与结合部分93a的周边对应的那部分电介质膜92c中，引起膜结构破裂。由于应力应变集中在相对较厚的上电极膜自身的周边上，因此应力应变被认为在出现电介质击穿之前即传播到电介质膜92c，从而在与上电极膜的周边对应的那部分电介质膜92c的膜结构内产生比电介质膜92c的其余部分更多的缺陷。这被认为是电介质膜92c易于在与上电极膜的周边对应的那部分中引起膜结构破裂的原因。
基于上述研究结果，本发明人发现上电极膜的厚度影响到例如通过半导体加工技术制作的电容器元件的耐受电压，从而完成了本发明。
在根据本发明的电子元件中，置于电容器的电介质膜与布线的结合部分之间的第二电极膜(上电极膜)形成为具有2μm或更大的厚度。本发明人发现，即使在结合部分形成为相对较厚(例如10μm或更厚)的时候，具有2μm或更大厚度的第二电极膜仍能够显著抑制集中在布线的结合部分周边的应力应变传播到电介质膜，从而防止因结合部分中的应力应变传播到电介质膜，而导致在电介质膜的膜结构中出现缺陷。此外，在根据本发明的电子元件中，第二电极膜形成为具有4μm或更小的厚度。这是因为本发明人发现，具有4μm或更小厚度的第二电极膜不会在其内引起不适当大的应力应变，从而几乎不会由于应力应变而在电介质膜的膜结构中出现缺陷。根据本发明的电子元件是基于上述研究结果提供的，并包括有利于抑制在电介质膜的膜结构中出现缺陷的电容器，从而实现高耐受电压。
根据本发明，优选地，布线的结合部分比第二电极膜厚，更优选地，具有10μm或更大的厚度。这是因为以更大厚度形成结合部分能够减小结合部分和布线的电阻。
优选地，电容器的电介质膜具有1μm或更小的厚度。电介质膜越薄，在电容器中能够获得的静态电容就越大。
优选地，第二电极膜是通过镀敷工艺形成的。上述镀敷工艺适于有效地形成具有2μm到4μm厚度的第二电极膜。
优选地，根据本发明的电子元件还可包括设置在衬底上的无源元件，布线可将该无源元件与电容器的第二电极膜电连接。在此结构下或代替此结构，根据本发明的电子元件还可包括设置在衬底上的电极焊盘，布线可将该电极焊盘与电容器的第二电极膜电连接。根据本发明的电子元件可以是具有这种结构的集成电子元件。
附图说明
图1是示出根据本发明的集成电子元件的俯视图；
图2是沿图1中的线II-II取得的横截面图；
图3是沿图1中的线III-III取得的横截面图；
图4是沿图1中的线IV-IV取得的放大局部横截面图；
图5是图1所示电子元件的电路图；
图6以截面图形式示出图1所示集成电子元件中电容器周围部分的制造过程；
图7以截面图形式示出图6所示制造步骤之后的制造步骤；
图8是示出对应于优选实例1、2和比较实例1、2的耐受电压测量结果的曲线图；以及
图9是示出传统IPD的一部分的示意性横截面图。
具体实施方式
图1到图4示出根据本发明的集成电子元件X。图1是集成电子元件X的俯视图。图2和图3分别是沿图1中的线II-II及III-III取得的横截面图。图4是沿图1中的线IV-IV取得的放大局部横截面图。
集成电子元件X包括：衬底S，电容器10A、10B，线圈式电感器20，电极焊盘30A、30B、30C、30D，布线40，以及保护膜50(图1中未示出)，且具有图5所示的电路结构。
衬底S可以是半导体衬底、石英衬底、玻璃衬底，绝缘体上硅(silicon oninsulator，SOI)衬底、石英上硅(silicon on quartz，SOQ)衬底、或玻璃上硅(silicon on glass，SOG)衬底。半导体衬底可由硅材料、例如单晶硅制成。
电容器10A、10B分别具有包括电极膜11、12以及电介质膜13的多层结构，如图2和图4清楚示出的。电极膜11是下电极膜，以一定图案形成在衬底S上。电极膜11可由Cu、Au、Ag或Al制成，并可具有包括多个导体膜的多层结构。电极膜11可具有0.5到2μm的厚度。电极膜12是上电极膜，形成为经电介质膜13面对电极膜11，并且可由Cu、Au、Ag或Al制成。电极膜12具有2μm到4μm的厚度。电介质膜13例如可由氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化钽或氧化钛制成。电介质膜13可具有0.1到1μm的厚度。使电介质膜13减薄有利于使电容器10A、10B具有较大的静态电容。
线圈式电感器20是平面螺旋线圈(flat spiral coil)，以一定图案形成在衬底S上，如图1和图3所示，并具有端部21、22。线圈式电感器20的优选材料包括Cu、Au、Ag及Al。
电极焊盘30A到30D用于外部连接。电极焊盘30A、30B用作接地用的端子，而电极焊盘30C、30D用作电信号用的I/O端子。电极焊盘30A到30D可由上表面涂覆Au膜的Ni块(body)制成。
布线40用于电连接衬底S上的各元件，并包括与电容器10A、10B的电极膜12直接连接的结合部分41，如图2和图4所示。布线40的优选材料包括Cu、Au、Ag和Al。布线40和结合部分41可具有10μm或更大的厚度。以更大厚度形成布线40使得其电阻减小，而从减少集成电子元件X中的信号损耗的观点看，减小电阻是优选的。
参照图5，电容器10A电连接到电极焊盘30A、30C以及线圈式电感器20。更具体地说，电容器10A的电极膜11电连接到电极焊盘30A，而电容器10A的电极膜12电连接到电极焊盘30C和线圈式电感器20的端部21。同样，电容器10B电连接到电极焊盘30B、30D以及线圈式电感器20。更具体地说，电容器10B的电极膜11电连接到电极焊盘30B，而电容器10B的电极膜12电连接到电极焊盘30D以及线圈式电感器20的另一端部22。
保护膜50可由聚酰亚胺或苯并环丁烯(BCB)制成，并且覆盖电容器10A、电容器10B、线圈式电感器20以及布线40，但暴露电极焊盘30A到30D的一部分。
图6和图7示出集成电子元件X的电容器10A、10B的周围部分的制造过程。具体地说，图6(a)到图7(d)以横截面图形式示出图7(d)所示电容器10(对应于电容器10A、10B其中之一)、布线40与电容器10的结合部分、以及电容器10周围的保护膜50的形成工艺的进程，其中包括一个与图4所示类似的截面。
在形成电容器10时，首先在衬底S上形成电极膜11，如图6(a)所示。可执行溅射工艺以在衬底S上沉积预定金属材料，并且对金属膜进行湿式或干式蚀刻处理，从而将金属膜图案化成预定图案，以形成电极膜11。
转到图6(b)，在电极膜11上形成电介质膜13。可执行溅射工艺以至少在电极膜11上沉积预定电介质材料，并且对电介质膜进行湿式或干式蚀刻处理，从而将电介质膜图案化成预定图案，以形成电介质膜13。
随后，在衬底S上形成用于电镀的籽晶层(图中未示)，以覆盖电极膜11和电介质膜13。籽晶层可通过气相沉积或溅射来形成。
参照图6(c)，设置用于形成电极膜12的抗蚀剂图案61。抗蚀剂图案61包括限定电极膜12的图案形状的开口61a。为了形成抗蚀剂图案61，首先将液态光致抗蚀剂从电极膜11和电介质膜13上方施加到衬底S，并执行旋转涂布(spin coating)以产生膜。接下来，对光致抗蚀剂膜进行曝光，然后进行显影，从而将光致抗蚀剂膜图案化成抗蚀剂图案61。
在上述步骤之后，进行电镀处理，以在抗蚀剂图案61的开口61a内形成电极膜12，如图6(d)所示。在此电镀处理中，将籽晶层通电。电镀处理适于有效形成2μm到4μm厚的电极膜12。
转到图7(a)，通过施加预定去膜溶液(stripping solution)来除去抗蚀剂图案61。并且(通过干式或湿式蚀刻处理)除去籽晶层(没有形成电极膜12的部分)。然后如图7(b)所示，形成绝缘膜51，此后绝缘膜51将构成保护膜50的一部分。绝缘膜51包括开口51a，在开口51a中暴露电极膜12的一部分。
然后参照图7(c)，形成布线40。布线40包括结合部分41，结合部分41填充在绝缘膜51的开口51a内，从而连接到电极膜12。布线40的具体形成方法包括：在图7(b)所示的绝缘膜51上以及开口51a内形成用于电镀处理的籽晶层(图中未示出)；在籽晶层上设置抗蚀剂图案，该抗蚀剂图案限定用于形成布线40的预定开口；通过电镀在抗蚀剂图案的开口中生长预定的导电材料；除去抗蚀剂图案；并且除去籽晶层(没有形成布线40的部分)。
然后，如图7(d)所示，形成绝缘膜52以覆盖布线40。因此，在集成电子元件X的制造过程中能够获得电容器10(10A、10B)以及周边结构。
如前面关于传统IPD 90的电容器92所述的，当不适当的应力被施加到处于通过半导体加工技术制造的电容器元件的各电极膜之间的电介质膜时，承受应力的那部分电介质膜易于引起膜结构的缺陷，从而易于在施加高电压时破裂。因此，针对电介质膜的不适当应力的存在妨碍了实现电容器的高耐受电压。相比之下，根据本发明的集成电子元件X中的电容器10A、10B允许实现高耐受电压。
在集成电子元件X中，如上所述，布线40及其结合部分41形成为相对较厚，例如为10μm或更厚，并且电容器10A、10B的各个电极膜12形成为具有2μm到4μm的厚度。尽管应力应变倾向于集中在相对较厚的结合部分41的周边上，但由于电极膜12具有2μm或更大的厚度，因此应力应变向电介质膜13的传播能够受到显著的抑制。因此，这种结构能够防止在电介质膜13的膜结构中出现因应力应变从结合部分41到电介质膜13的传播而引起的缺陷。此外，电极膜12具有4μm或更小的厚度，电极膜12自身不会在其内部引起不适当大的应力应变，从而几乎不会因应力应变而导致电介质膜13的膜结构中出现缺陷。出于这些原因，电容器10A、10B允许实现高耐受电压。
本发明人制造了若干电容器元件，并测量了它们的耐受电压用于比较。结果如下。
<工作实例1>
将电容器元件制作成具有图4所示的电容器10A及其附近的结构特征。具体地说，衬底S是由石英制成的。电极膜11具有多层结构，该多层结构由设置在衬底S上的Ti膜(50nm厚)、Ti膜上的Au膜(500nm厚)、Au膜上的Ni膜(50nm厚)、及Ni膜上的另一Au膜(500nm厚)构成。电极膜12是电镀的Cu膜(2μm厚)。电介质膜13是SiO2膜(220nm厚)。包括结合部分41的布线40具有多层结构，该多层结构由较接近电容器10的电镀Ni膜(10μm厚)和形成在该Ni膜上的电镀Ai膜(2μm厚)构成。
<工作实例2>
工作实例2的电容器元件制作成具有与上述电容器元件(工作实例1)相同的结构，不过镀Cu的电极膜12具有4μm而非2μm的厚度。
<比较实例1、2>
电容器元件制作成具有与工作实例1的电容器元件相同的结构，不过上电极膜(对应于镀Cu的电极膜12)具有1μm而非2μm的厚度(比较实例1)，或具有10μm的厚度(比较实例2)。
<耐受电压的测量>
测量根据工作实例1、2和比较实例1、2的电容器元件的耐受电压。根据工作实例1、2的电容器元件的耐受电压分别是185V和172V。根据比较实例1、2的电容器元件的耐受电压分别是130V和133V。这些结果在图8的曲线图中示出，图中的水平轴代表电极膜12(上电极膜)的厚度[μm]，而垂直轴代表耐受电压[V]。根据工作实例1、2和比较实例1、2的电容器元件的测量结果分别以E1、E2、C1和C2表示的点绘出。
<评述>
如图8所示，根据比较实例1、2的电容器元件的耐受电压不超过135V。在耐受电压测量中电介质击穿之后，对根据比较实例1的电容器元件的电介质膜13的检验表明：主要是在与布线40的结合部分41的周边对应的那部分电介质膜13中观察到膜结构的破裂。在比较实例1的电容器元件中发生电介质击穿之前，应力应变倾向于集中在相对较厚的结合部分41的周边上，并且应变经1μm这样薄的上电极膜传播到电介质膜13。因此，与结合部分41的周边对应的那部分电介质膜13中的膜结构承受了比电介质膜13的其它部分更多的缺陷。因此，电介质膜13易于在与结合部分41的周边对应的那部分中引起膜结构的破裂。通过在耐受电压测量中电介质击穿之后，检验根据比较实例2的电容器元件的电介质膜13，发现膜结构的破裂发生于与上电极膜的周边对应的那部分电介质膜13中。因为应力应变集中在比较实例2的上电极膜的周边，其相对较厚，所以在电介质击穿发生之前，应力应变传播到根据比较实例2的电容器元件中的电介质膜13。因此，在与上电极膜的周边对应的那部分电介质膜13的膜结构内产生比其它部分更多的缺陷。相应地，在根据比较实例2的电容器元件中，电介质膜13易于在与上电极膜的周边对应的那部分中引起膜结构的破裂。
另一方面，根据工作实例1、2的电容器元件的耐受电压超过170V，并且比根据比较实例1、2的电容器元件高35V以上。这可能是因为：与比较实例1中的上电极膜相比，工作实例1的2μm厚电极膜12和工作实例2的4μm厚电极膜12能够更有效地抑制应力应变从结合部分41到电介质膜13的传播，从而抑制电介质膜13的膜结构中出现缺陷。同样，工作实例1、2的电极膜12仅引起比根据比较实例2的上电极膜更小的应力应变，这有利于抑制电介质膜13中的缺陷。
Claims (6)
1.一种电子元件，包括：
衬底；
电容器，具有多层结构，该多层结构包括：第一电极膜，设置在所述衬底上；第二电极膜，具有2μm到4μm的厚度并面对所述第一电极膜；以及电介质膜，置于所述第一与第二电极膜之间；以及
布线，包括结合部分，该结合部分连接到所述第二电极膜并且位于与所述电介质膜相对的位置；
电极焊盘，设置在所述衬底上并经由所述布线电连接至所述电容器的第二电极膜；以及
保护膜，设置在所述衬底上，用于至少覆盖所述电容器和所述布线；
其中，所述电极焊盘的高度大于所述电容器的所述第二电极膜的高度，并且所述电极焊盘包括由所述保护膜暴露的一部分。
2.根据权利要求1所述的电子元件，其中所述结合部分比所述第二电极膜更厚。
3.根据权利要求2所述的电子元件，其中所述结合部分具有不小于10μm的厚度。
4.根据权利要求1所述的电子元件，其中所述电介质膜具有不大于1μm的厚度。
5.根据权利要求1所述的电子元件，其中所述第二电极膜是通过镀敷产生的。
6.根据权利要求1所述的电子元件，还包括设置在所述衬底上的无源元件，其中所述布线将所述无源元件与所述电容器的第二电极膜彼此电连接。
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