JP2002299144A - 薄膜コンデンサ - Google Patents

薄膜コンデンサ

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JP2002299144A
JP2002299144A JP2001102677A JP2001102677A JP2002299144A JP 2002299144 A JP2002299144 A JP 2002299144A JP 2001102677 A JP2001102677 A JP 2001102677A JP 2001102677 A JP2001102677 A JP 2001102677A JP 2002299144 A JP2002299144 A JP 2002299144A
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Hiroyuki Fujimori
博行 藤森
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Kyocera Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、上部電極層と上地導体層との間の
離間部分から露出する薄膜誘電体層が劣化することのな
い薄膜コンデンサを提供することにある。 【解決手段】 支持基板上1に、下部電極層2a及び一
対の端子領域下地導体層2b、2cとなる第1の導体薄
膜パターン層2、薄膜誘電体層3、上部電極層4a及び
一対の端子領域上地導体層4b、4cとなる第2の導体
薄膜パターン層4とを順次積層するとともに、前記端子
領域上地導体層上4b、4cにバンプ端子5、6を形成
して成る薄膜コンデンサである。前記薄膜誘電体層3と
第2の導体薄膜パターン層4との層間で、第2の導体薄
膜パターン層の薄膜上部電極層4aと端子領域上地導体
層4bとが離間する領域に、中間保護層7を介在させ
た。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、クロック周波数の
高周波化にともない、IC電源の電圧変動による誤動作
の防止を目的とした薄膜デカップリングコンデンサに関
するもので、近年ますます高速になるデジタル回路にお
いて、低インダクタンス・高キャパシタンスでありなが
ら、低インピーダンス化可能な薄膜コンデンサに関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】これは、近年増々小型化、高速化になるコ
ンピューター市場において、その更なる高速化に対応す
るため、LOWインダクタンス化小型化低背化を目的と
した薄膜コンデンサで、ICの小型高速化は家庭用PC
だけでなく、メインフレーム、ワークステーション等の
大型コンピューターにおいても同様で、その勢いに衰え
が感じられない。これに伴い、内蔵されるコンデンサ等
の受動部品も小型低背のみならず、高周波にたいし優れ
た特徴を持つことが要求されている。
【0003】ICが高周波化すると、矩形波の立ち上が
り速度が遅いだけでも、誤認識の原因となり、これを防
ぐ為にICの電源電圧の安定を目的とするデカップリン
グコンデンサと呼ばれる電源電圧の供給目的のコンデン
サが必要となる。このコンデンサは特性として、高い周
波数においても高コンデンサ特性を十分に満足し、高速
に電源を供給することである。特に高周波になると、イ
ンダクタンス成分は増加する傾向を示す。このため動作
周波数が高くなるにつれて、インダクタンス成分が、供
給すべき電流を制限してしまい、エラーの原因となるた
め、高周波領域において、インダクタンス成分の増加が
少なく、供給すべき電流を制限することの無いデカップ
リングコンデンサ等を、IC近傍に取り付けることが必
要となる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このような課題に対応
した薄膜コンデンサは、素子そのものの、電気的特性と
して、先にも述べたように重要なのはインダクタンス成
分を小さくすることになるが、これを満足するための手
段として、これまで端子の配列の変更、パターンの引き回
しや、ボールの低背化などが効果的であることがわかっ
ている。中でも端子電極間隔を狭く設計することは、電
流経路の短縮を行うこととなり、低インダクタンス化に
有効である。
【0005】例えば、図3(a)、(b)に示す従来の
薄膜コンデンサは、支持基板1上に、薄膜下部電極層2
1a及び一方の端子領域下地導体層21bとなる第1の
導体薄膜パターン層21、薄膜誘電体層31、薄膜上部
電極層41a及び他方端子領域下地導体層41bとなる
第2の導体薄膜パターン層41とを順次積層するととも
に、一方の端子領域下地導体層21b上に薄膜下部電極
層21a側の第1バンプ端子5、他方の端子領域下地導
体層41b上に薄膜上部電極層41a側の第2のバンプ
端子6を配置していた。尚、いずれの導体層21、4
1、誘電体層31の厚みは、5μm以下となっていた。
【0006】上述の薄膜コンデンサでは、上下導電薄膜
パターン層21、41をベタパターンで作製できるた
め、その加工に、マスクスパッタや印刷プロセスを用いて
作製することが可能で、フォトリソエッチング工程で作
製するようなの微細なパターンを必要としないことがメ
リットとなる。
【0007】しかし、最も重要となるインダクタンスの
低下については有効な構造とはいえない。これは、所定
サイズの支持基板1を考えた場合、一対の端子領域下地
導体層21a、41aが、基板1の両端に分かれるた
め、バンプ端子5、6間の距離が長くなり、電場経路の
延長により、低インダクタンス化に限界がある。
【0008】これに対し、低インダクタンス化を図った
薄膜コンデンサを図4に示す。これは、支持基板1上
に、薄膜下部電極層22a及び一対のパンプ端子5、6
が形成される領域を規定する端子領域下地導体層22
b、22cとなる第1の導体薄膜パターン層22、薄膜
誘電体層32、薄膜上部電極層42a及び一対のバンプ
端子5、6が形成される領域を規定する端子領域上地導
体層42b、42cとなる第2の導体薄膜パターン層4
2とを順次積層し、前記一対の端子領域上地導体層42
b、42c上にバンプ端子5、6を形成して構成されて
いる。即ち、薄膜電極層3を挟持する薄膜下部電極層2
2aと薄膜上部電極層42aとで挟持する領域で所定容
量成分が発生する。
【0009】このような薄膜コンデンサでは、フォトリ
ソエッチング工程を用いて、第1の導体薄膜パターン層
22、薄膜誘電体層32、第2の導体薄膜パターン層4
2をを加工することができるため、支持基板1の中央部
分にパンプ端子5、6を配置することが可能となり、バ
ンプ端子5、6間隔を狭める構造が可能となり、低イン
ダクタンス化が可能となる。
【0010】しかし、このような構造の場合において
は、例えば、第2の導体薄膜パターン層42をフォトリ
ソエッチングで薄膜上部電極層42aと一対の端子領域
上地導体層42b、42cを構成するため、薄膜上部電
極層42aと相違する電位の一方の端子領域上地導体層
42b(薄膜下部電極層22aと導通する側の上地導体
層42b)とを離間させる必要がある。
【0011】そして、この離間部分から第2の導体薄膜
パターン42の下層に位置する薄膜誘電体層32の一部
が露出することになる。この離間は、上述のようにフォ
トリソグラフィ技術によって形成され、エッチング時に
薄膜誘電体層32に対して種々問題があった。例えば、
エッチング時に薄膜誘電体層32が侵されることにな
る。また、薄膜誘電体層32の一部が露出しているので
空気中の水分が吸収されやすい、薄膜誘電体層32の表
面の微小な欠陥に電極がつまり上部電極のエッチング時
に残渣が残りやすい。
【0012】とりわけ、薄膜誘電体層32がエッチング
液によって溶解されてしまうと、第2の導体薄膜パター
ン層42と薄膜誘電体層32との密着を確保することが
困難となる。例えば、第2の導体薄膜パターン層42の
構造として、薄膜誘電体層32の界面に密着層としてク
ロム、チタンなどの酸化しやすい材料を用いた場合、エ
ッチング液側から見ると、その一部が酸化物として介在
する密着層と薄膜誘電体層32との区別がつきにくく、
安定したエッチングが困難となる。
【0013】更に、離間部分から露出する薄膜誘電体層
32表面は、微小な欠陥等ができやすいため、残渣の無い
完全なエッチングを行いにくく、結果として信頼性の不
良となる。
【0014】本発明は上述の問題点に鑑みて案出された
ものであり、その目的は、上部電極層と上地導体層との
間の離間部分から露出する薄膜誘電体層が劣化すること
のない薄膜コンデンサを提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明は、支持基板上
に、薄膜下部電極層、前記薄膜下部電極層と連続する第
1極端子領域下地導体層および薄膜下部電極層と離間す
る第2端子領域下地導体層を被着形成し、前記薄膜下部
電極層及び両端子領域下地導体層上に、両端子領域下地
導体層の一部を露出させて薄膜誘電体層を被着形成し、
前記薄膜誘電体層及び両端子領域下地導体層上に、薄膜
上部電極層、前記薄膜上部電極層と連続する第2極端子
領域上地導体層および薄膜上部電極層と離間する第1端
子領域上地導体層を被着形成し、第1及び第2の端子領
域上地導体層上に、第1及び第2バンプ端子を形成した
薄膜コンデンサにおいて、前記薄膜誘電体層上で、前記
薄膜上部電極層と前記第1端子領域上地導体層とを離間
する領域に、中間保護層を介在させた薄膜コンデンサで
ある。また、記中間保護層は、ポリイミド、ベンゾシク
ロブテン、フッ素樹脂膜から構成されている薄膜コンデ
ンサである。
【0016】また、前記中間保護層は、ポリイミド、ベ
ンゾシクロブテン、フッ素樹脂膜から構成されている。
【作用】本発明は、薄膜誘電体層と薄膜上部電極層及び
第1端子領域上地導体層との界面層で、薄膜上部電極層
と第1端子領域上地導体層とを離間する領域に中間保護
層を介在されている。
【0017】即ち、最上層である薄膜上部電極層及び第
1及び第2端子領域上地導体層となる第2の導体薄膜パ
ターン層をエッチング処理、ウェット処理またはドライ
エッチング処理して、薄膜上部電極層と第1端子領域上
地導体層とを離間しても、この離間部分には中間保護層
が露出し、その下層の薄膜誘電体層は露出しない。
【0018】このため、従来のようにエッチング時、第
2の導体薄膜パターン層と薄膜誘電体層との区別が困難
でエッチング制御が困難となったり、上部電極層の密着
性が低下したりすることがない。例えば、中間保護層を
ポリイミド、ベンゾシクロブテン、フッ素樹脂膜などの絶
縁性有機層を用いた場合、導体薄膜パターン層のエッチ
ング処理を、中間保護層で停止させることがでる。ま
た、この離間部分で薄膜誘電体層が変質したりすること
がなくなる。
【0019】
【発明の実施の形態】以下、本発明の薄膜コンデンサを
図面に基づいて説明する。図1は、本発明の薄膜コンデ
ンサを示し、(a)はその断面構造図及び(b)はその
平面図であり、図2はその拡大断面図である。
【0020】図において、1は支持基板、2は第1の導
体薄膜パターン層、3は薄膜誘電体層、4は第2の導体
薄膜パターン層、5、6はバンプ端子である。
【0021】第1の導体薄膜パターン層2は、容量発生
領域では薄膜下部電極層2aとなり、容量発生領域以外
では、上部に第1のバンプ端子5が形成される領域が第
1端子領域下地導体層2bとなり、上部に第2のバンプ
端子6が形成される領域が第2端子領域下地導体層2c
となる。尚、第1端子領域下地導体層2bは、薄膜下部
電極層2aと連続している。即ち、第1のバンプ端子5
は、薄膜下部電極層2aに接続することになる。
【0022】第2の導体薄膜パターン層4は、容量発生
領域では薄膜上部電極層4aとなり、容量発生領域以外
では、上部に第1のバンプ端子5が形成される領域が第
1端子領域上地導体層4bとなり、上部に第2のバンプ
端子6が形成される領域が第2端子領域上地導体層4c
となる。尚、第2端子領域上地導体層4cは、薄膜上部
電極層4aと連続しており、第1端子領域上地導体層4
bは、薄膜上部電極層4aと離間して形成されている。
【0023】支持基板1は、耐熱性、絶縁材料からな
り、その表面が非常に平坦化されたアルミナ、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、石英等の基板である。
【0024】第1の導体薄膜パターン層2である薄膜下
部電極層2a、第1端子領域下地導体層2b、2cは、主
にAuからなる電極層であり、その膜厚は、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となっている。尚、この第1の導体薄膜パタ
ーン層2の密着性を高めるため、Ti、Ptを密着層、
中間層としてAuを被着形成してもよい。尚、第1の導
体薄膜パターン層2は、これらの導体層を形成し、フォ
トリソグラフィ技術により形成される。そして、薄膜下
部電極層2aと第1端子領域下地導体層2bは一連に形
成される。
【0025】薄膜誘電体層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
る誘電体材料でよく、例えばPb(Mg,Nb)O
3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。また、薄膜誘電
体層3の膜厚は、高容量特性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、容量成分
が小さくなる傾向があるからである。薄膜誘電体層3の
膜厚は0.4〜0.8μmが望ましい。
【0026】この薄膜誘電体層3は、図1(a)から理
解できるように、一対の端子領域下地導体層2b、2c
の一部、例えばその領域の中央部分を露出するように薄
膜下部電極層2a上に被着形成されている。また、薄膜
誘電体層3は、支持基板1の全面に誘電体層を形成した
のち、フォトリソグラフィ技術により形成する。
【0027】第2の導体薄膜パターン層4である薄膜上
部電極層4a、第1及び第2端子領域上地導体層4b、
4cは、主にAuからなる電極層であり、その膜厚は、
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となっている。尚、この第2の導
体薄膜パターン層4の密着性を高めるため、Ti、C
r、Ptを密着層、中間層として被着形成してもよい。
【0028】尚、第2の導体薄膜パターン層4は、支持
基板1の全面にこれらの導体層を形成し、フォトリソグ
ラフィ技術により形成する。尚、薄膜上部電極層4aと
第2端子領域上地導体層4cとは一連に形成され、薄膜
上部電極層4aと第1端子領域上地導体層4bとの間に
は離間領域が形成される。
【0029】中間保護層7は、上述の上部電極層4aと
第1端子領域上地導体層4bとのが離間され部位で、薄
膜誘電体層3と第2の導体薄膜パターン層4との層間に
介在されている。この中間保護層7は、第2の導体薄膜
パターン層4のエッチングにより、除去される領域の薄
膜誘電体層3上を覆うように形成されている。また、中
間保護層7は、加工の点、耐酸性の面で十分なものを選
択する必要があり、ポリイミド、ベンゾシクロブテン、フ
ッ素樹脂膜などの絶縁性有機材料が例示できる。尚、こ
の絶縁性有機材料でなくても、SiO2やSiNx等の無
機材料も用いることができるが、加工面では、若干樹脂
に比較して劣る。尚、その膜は、2〜5μmの厚みであ
ればよい。
【0030】この第2の導体薄膜パターン層4のうち、
第1及び第2端子領域上地導体層4b、4c上には半田
バンプからなるバンプ端子5、6が配置されている。こ
の半田パンプには、Ag、In、Cu、Bi、Sbおよ
びZnのうち少なくとも1種以上の金属が添加されてい
る。これは、薄膜コンデンサの用途に応じて、融点及び
共晶温度の異なる材料を選択すればよい。また、バンプ
端子5、6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。
【0031】尚、第1及び第2端子領域上地導体層4
b、4c中にバンプ端子5、6の材料である半田が拡散
を防止するために、その界面に半田拡散防止金属層(T
i、Cr、Ni、Cu、Pd、Pt、およびこれらの金
属から選ばれる2種以上からなる合金のうちいずれかか
らなり、スパッタ、蒸着、メッキ等で形成される)を形
成しても構わない。
【0032】尚、図では省略しているが、この第1及び
第2バンプ端子5、6以外の外表面には、例えば、Si
34、SiO2、ポリイミド樹脂およびBCB(ベンゾ
シクロブテン)等から保護膜を形成する。
【0033】このような薄膜コンデンサは、容量発生領
域の薄膜下部電極層2a、薄膜誘電体層3、薄膜上部電
極層4aで構成され、この薄膜下部電極層2aは、第1
端子領域下地導体層2b、第1端子領域上地導体層4b
を介して、第1バンプ端子5に導通している。また、薄
膜上部電極層4aは、これに連続した第2端子領域上地
導体層4c(下層に第2端子領域下地導体層2cが存在
している)に延出され、第2バンプ端子6に導通してい
る。
【0034】従って、容量発生領域の容量成分は、支持
基板1の中央部に配置された互いに近接しあう第1及び
第2バンプ端子5、6との間より得られることになる。
【0035】そして、支持基板1の充分な厚みにより強
度を確保しつつ、支持基板1の有効利用、第1及び第2
パンプ端子5、6との間の近接化、バンプ端子5、6の
低背化が可能となり、小型化しつつあるパッケージのB
GAに対応した低インダクタンス特性が実現でき、特
に、高周波回路におけるデカップリングコンデンサに最
適な薄膜コンデンサとなる。
【0036】尚、中間保護層7の材料としては、感光性
の有機系材料を用いることにより、容易に微細なパター
ンを形成することができる上、その保護層表面は、荒さ
が小さく問題が無いため、残渣が残ることなり、薄膜上部
電極層4a及び密着層の完全除去ができることになる。
また、従来のように確認しにくかった微小な欠陥に入り
込んだ残渣を無理に取ろうとして長時間液に浸漬させる
と、エッチング時間が安定しないなどの問題も発生しや
すくなるが、絶縁性有機材料の中間保護層7上の金属残
渣は、先に述べているように完全除去ができ、確認しや
すくなる。
【0037】このような方法にて作製された薄膜デカッ
プリングコンデンサは、従来構造のようにエッチング液
が、薄膜誘電体層3に直接触れることが無いため、エッチ
ング液に薄膜誘電体層3と、薄膜上部電極層4の密着層
の選択性を持たせる必要がなく、エッチングレートが大
きく強力なエッチング液に長時間さらしても、薄膜誘電
体層3が侵食されることが無い。
【0038】また、従来構造を用いて作製した場合、エッ
チング液に浸漬された薄膜誘電体層32は、微細な欠陥
にエッチング液が入り込むことがあり、内部に入り込ん
だエッチング液は、金属残渣同様完全に取り除くことが
困難である。そしてエッチング後の洗浄・乾燥工程でも
内部に液が残り、エッチング液に含まれる金属成分が絶
縁不良をもたらすことにつながっていたが、これらにつ
いても中間保護層7を介在させることにより完全になく
なる。
【0039】最終工程まで進め、製品化されたsampleに
おいても、最も水分の浸入が起こりやすい上部エッチン
グ部に中間保護層7を介在させることにより、極端な浸
入を抑えることができる。
【0040】
【実施例】厚み0.25μm(φ3inch)のアルミナ基
板1上に、蒸着機にて、密着層となるTiと中間層とな
るPt、電極層となるAuの順でそれぞれ0.1,0.3,
0.5μmの厚みで第1の導体薄膜パターン層2を形成
する。原理的にAu電極のみでも良いが、基板1との密
着、ハンダ食われ防止の観点から、層構造は上記3層に
なる。これらの厚みは全体で1μm以下で素子パターン
1個の大きさが3mm角で作成した。第1の導体薄膜パ
ターン層2のパターニングは、所定形状のパターンのマ
スクを用いてスパッタにより達成できる。
【0041】次に、薄膜誘電体層3を金属アルコキシド
にPZT(鉛/ジルコニア/チタニウム)を決められた容
量添加し、誘電体ゾル液を作成する。この誘電体ゾル液
をスピンコーターで塗布し、約300度で乾燥を行い、
次ぎに誘電体を700〜1000度で焼成し、約1μm
の薄膜誘電体層3を形成する。パターンニングは、フォ
トリソ加工を用い、誘電体をウエットエッチングする。
【0042】このとき第1の導体薄膜パターン層2のA
u電極を浸食させることなく誘電体のみをエッチングで
きる選択性エッチングが必要である。 具体的にはAu
の耐酸性を利用し、フッ酸を用いた混酸により行った。
【0043】次に中間保護層7となる膜を、感光性の有
機材料を用いスピンコーターで、乾燥後に2〜5μm程
度の厚みになるよう設定し、誘電体同様フォトリソ工程
を用い保護層直接現像し、不要な部分を取り除きパター
ンニングする。エッチングは十分に行い絶縁性に問題な
い状態を作製した。エッチングにて第2の導体薄膜パタ
ーン層4がエッチングにてパターンニングされてから、
更に数十秒の過剰なエッチング条件を行った。
【0044】第2の導体薄膜パターン層4は、スパッタ
機を用い、下部同様に密着層を含め、複数層を成膜を行い
誘電体層同様に感光性レジストを用いフォトリソエッチ
ング工程でパターンニングする。
【0045】これらの工程で形成された容量発生領域を
湿気及び衝撃から守るため、感光性ポリイミド等の保護
膜をスピンコーターで塗布し、これを露光プロセスを用
い加工する。
【0046】次に、第1及び第2バンプ端子5、6は、
粒径の小さい半田ぺーストを用い、250℃前後で焼成
する。
【0047】最終工程としてダイシング機を用い、CU
Tを行う。
【0048】これらのプロセスで作成された薄膜コンデ
ンサをインピーダンスアナライザーを用い測定すると、
測定周波数f=1GHzで、容量C=約50nF、イン
ダクタンスL=約30pHの値を計測できた。
【0049】更に、パッケージに微粒を用いた半田クリ
ームをスルホールパターンにあわせ転写印刷し、実装を
確認することができた。
【0050】
【発明の効果】以上のように、薄膜上部電極層と第1端
子領域上地導体層との離間部分において、薄膜誘電体層
と第2の導体薄膜パターン層との層間に中簡保護層を配
置した。これにより、第2の導体薄膜パターン層のエッ
チング時、薄膜誘電体層への悪影響を有効に抑えること
ができ、充分な容量特性を有し、しかも実装状態で低イ
ンピーダンスなコンデンサが安価なプロセスを用いて、
高信頼性に作成できることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の薄膜コンデンサを示し、(a)はその
断面図、(b)はその平面図である。
【図2】上部電極層と第1端子領域上地導体層との離間
部分の拡大断面図である。
【図3】従来の薄膜コンデンサを示し、(a)はその断
面図、(b)はその平面図である。
【図4】従来の他の薄膜コンデンサを示し、(a)はそ
の断面図、(b)はその平面図である。
【符号の説明】
1・・支持基板 2・・第1の導体薄膜パターン層 2a・・薄膜下部電極層 2b・・第1端子領域下地導体層 2c・・第2の端子領域下地導体層 3・・薄膜誘電体層 4・・第2の導体薄膜パターン層 4a・・薄膜上部電極層 4b・・第1端子領域下地導体層 4c・・第2端子領域上地導体層 5、6・・バンプ端子 7・・中間保護層

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 支持基板上に、薄膜下部電極層、前記薄
    膜下部電極層と連続する第1極端子領域下地導体層およ
    び薄膜下部電極層と離間する第2端子領域下地導体層を
    被着形成し、 前記薄膜下部電極層及び両端子領域下地導体層上に、両
    端子領域下地導体層の一部を露出させて薄膜誘電体層を
    被着形成し、 前記薄膜誘電体層及び両端子領域下地導体層の露出部上
    に、薄膜上部電極層、前記薄膜上部電極層と連続する第
    2極端子領域上地導体層および薄膜上部電極層と離間す
    る第1端子領域上地導体層を被着形成し、 第1及び第2の端子領域上地導体層上に、第1及び第2
    バンプ端子を形成した薄膜コンデンサにおいて、前記薄
    膜誘電体層上で、前記薄膜上部電極層と前記第1端子領
    域上地導体層とを離間する領域に、中間保護層を介在さ
    せたことを特徴とする薄膜コンデンサ。
  2. 【請求項2】 前記中間保護層は、ポリイミド、ベンゾ
    シクロブテン、フッ素樹脂膜から構成されていることを
    特徴とする請求項1記載の薄膜コンデンサ。
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