JP2006005293A

JP2006005293A - 薄膜キャパシタ素子

Info

Publication number: JP2006005293A
Application number: JP2004182487A
Authority: JP
Inventors: Shinji Murata; 眞司村田
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2004-06-21
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2006-01-05

Abstract

【課題】上部電極から誘電体層へのイオンマイグレーションを確実に防止して信頼性を高めた薄膜キャパシタ素子を提供すること。
【解決手段】薄膜キャパシタ素子１０は、基板１上に順次形成された下部電極２および誘電体層３と、誘電体層３を露出させる開口５ａを有して該誘電体層３の周縁部を覆う位置に形成された絶縁樹脂層５と、絶縁樹脂層５上および開口５ａ内の誘電体層３上に形成された拡散防止層６と、拡散防止層６上に形成されて開口５ａ内で該拡散防止層６および誘電体層３を介して下部電極２と対向する上部電極４とを備えており、拡散防止層６はＴａやＴａＮ等の金属材料にて薄膜形成されている。拡散防止層６には下部電極２上に位置する上部電極４の側端面よりも外方へ延びる延出部６ａが設けられており、この延出部６ａは上部電極４と同電位なので該側端面と下部電極２との間の電界を遮断する効果がある。
【選択図】図３

Description

本発明は、小型電子回路に用いられる薄膜キャパシタ素子に係り、特に、上部電極側が陽極にして使用される薄膜キャパシタ素子に関する。

アルミナ等からなる基板上に下部電極と誘電体層と上部電極を順次積層して概略構成される薄膜キャパシタ素子では、一般的に、Ｑ値を高めるために下部電極および上部電極としてＣｕが用いられている。この種の薄膜キャパシタ素子は、下部電極と上部電極間のブレイクダウン電圧の低下や容量値のバラツキ等を極力抑えることによって高い信頼性を確保することができるため、開口を有して誘電体層の周縁部を覆う絶縁樹脂層を付設し、この絶縁樹脂層上および該開口内に露出する誘電体層上に上部電極を積層させるという構成の薄膜キャパシタ素子が従来より提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図８はかかる従来の薄膜キャパシタ素子を示す断面図であり、この薄膜キャパシタ素子は、アルミナからなる基板１上に順次積層された下部電極２と誘電体層３および上部電極４と、誘電体層３の周縁部と上部電極４との間に介設された絶縁樹脂層５とで全体が構成されている。下部電極２はスパッタ法等により薄膜形成された下地層２ａと、この下地層２ａ上にメッキ法により薄膜形成された電極層２ｂとで構成されており、下地層２ａは例えば０．１μｍのＴｉ層と０．１μｍのＣｕ層とからなり、電極層２ｂは例えば３μｍのＣｕ層と０．３μｍのＮｉ層とからなる。誘電体層３は下部電極２上とその周囲の基板１上にスパッタ法等により薄膜形成された例えば０．３μｍのＳｉＯ₂からなり、下部電極２上から基板１上に至る段差部分では誘電体層３のカバレッジは悪くなる。上部電極４はスパッタ法等により薄膜形成された下地層４ａと、この下地層４ａ上にメッキ法により薄膜形成された電極層４ｂとで構成されており、下地層４ａは例えば０．１μｍのＴｉ層と０．１μｍのＣｕ層とからなり、電極層４ｂは例えば３μｍのＣｕ層と０．３μｍのＮｉ層とからなる。また、開口５ａを有する絶縁樹脂層５は例えばフォトレジストを感光することによって所望形状にパターニングしたものであり、この開口５ａ内で下部電極２と上部電極４が誘電体層３を介して対向している。

このように構成された従来の薄膜キャパシタ素子は、カバレッジ不良部分を含めて誘電体層３の周縁部が絶縁樹脂層５によって覆われているため、誘電体層３のカバレッジ不良に起因するブレイクダウン電圧の低下を確実に防止することができる。また、絶縁樹脂層５の開口５ａを高精度に形成することができ、この開口５ａが容量値を規定することになるので、下部電極２と上部電極４の大きさや位置合わせ精度に拘らず容量値のバラツキを低減することができる。
特開２００２−２５８５４（第３−４頁、図２）

上述した従来の薄膜キャパシタ素子は、ブレイクダウン電圧の低下や容量値のバラツキを抑えた構成にすることで信頼性を向上させてはいるものの、上部電極４の側端面に露出するＣｕがイオン化して誘電体層３内へ拡散してしまうというマイグレーションについては考慮されていないため、誘電体層３の絶縁性が損なわれて不良に至る虞があった。すなわち、上部電極４の電極層４ｂと誘電体層３との間にはＴｉ層を含む下地層４ａが介設されてはいるが、電極層４ｂの側端面は外気中の水分と接触する露出面であり、かつ、絶縁樹脂層５や誘電体層３にも水分が含まれているため、上部電極４が陽極で下部電極２が陰極のとき、該側端面と下部電極２との間に発生する電界によって電極層４ｂ内のＣｕイオンが該側端面から絶縁樹脂層５内へ拡散し、さらに誘電体層３内へ拡散してしまう可能性があった。そして、誘電体層３内でＣｕイオンが増加して絶縁破壊を招来するとキャパシタとして動作しなくなるため、高信頼性を維持するためにはイオンマイグレーションが起こらないように配慮しておく必要がある。なお、この種の薄膜キャパシタ素子では、合成樹脂からなる保護層によって上部電極４等を覆う構成にすることも多いが、かかる保護層にも水分が含まれるため、該保護層によってイオンマイグレーションを防止することはできない。

本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、上部電極から誘電体層へのイオンマイグレーションを確実に防止して信頼性を高めた薄膜キャパシタ素子を提供することにある。

上述した目的を達成するため、本発明の薄膜キャパシタ素子では、基板上に順次形成された下部電極および誘電体層と、この誘電体層を露出させる開口を有して該誘電体層の周縁部を覆う位置に形成された絶縁樹脂層と、この絶縁樹脂層上および前記開口内の前記誘電体層上に形成された金属材料からなる拡散防止層と、この拡散防止層上に形成されて前記開口内で該拡散防止層および前記誘電体層を介して前記下部電極と対向する上部電極とを備え、前記拡散防止層に、前記下部電極上に位置する前記上部電極の側端面よりも外方へ延びる延出部を設ける構成とした。

このように誘電体層上および絶縁樹脂層上に金属材料からなる拡散防止層を設けて該拡散防止層上に上部電極を設けると共に、下部電極上で拡散防止層の一部を上部電極の側端面よりも外方へ延出させておけば、上部電極を誘電体層に対して非接触に保てるだけでなく、上部電極の側端面と下部電極との間に上部電極と同電位の拡散防止層（延出部）が介在するため、該側端面が通電時に電界の影響を受けにくくなる。したがって、上部電極内のＣｕ等のイオンが直接あるいは絶縁樹脂層を経由して誘電体層内へ拡散するというマイグレーションが起こりにくくなり、誘電体層の絶縁破壊を長期に亘って防止することができる。

かかる構成の薄膜キャパシタ素子において、前記上部電極が、前記拡散防止層上に形成された密着強度の高い下地層と該下地層上に形成された電極層とで構成されていれば、拡散防止層としてマイグレーション防止効果の特に高いＴａやＴａＮ等の金属材料を選択しつつ、該拡散防止層上の上部電極の密着強度を下地層を介在させることによって高めることができるため好ましい。

また、かかる構成の薄膜キャパシタ素子において、前記絶縁樹脂層上および前記開口内の前記誘電体層上に密着強度の高い下地金属層が形成されており、該下地金属層上に前記拡散防止層が形成されていれば、拡散防止層としてマイグレーション防止効果の特に高いＴａやＴａＮ等の金属材料を選択しつつ、該拡散防止層の密着強度を下地金属層を介在させることによって高めることができるため好ましい。

なお、拡散防止層は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗのいずれかを主成分とする金属材料やその窒化物からなることが好ましい。

本発明の薄膜キャパシタ素子は、上部電極と誘電体層との間に拡散防止層を介在させていると共に、上部電極の側端面と下部電極との間の電界を該拡散防止層の延出部によってほぼ遮断することができるため、上部電極内のＣｕ等のイオンが直接あるいは絶縁樹脂層を経由して誘電体層内へ拡散するというマイグレーションが起こりにくくなっている。それゆえ、イオンマイグレーションに起因する誘電体層の絶縁破壊を長期に亘り防止することができ、高信頼性が維持しやすい優れた薄膜キャパシタ素子が得られる。

実施の形態を図面を参照して説明すると、図１は本発明の第１実施形態例に係る薄膜キャパシタ素子の平面図、図２は図１のII−II線に沿う断面図、図３は図１のIII−III線に沿う断面図、図４と図５は該薄膜キャパシタ素子の製造工程を示す説明図であり、図８に対応する部分には同一符号を付してある。

図１〜図３に示すように、本実施形態例に係る薄膜キャパシタ素子１０は、基板１上に順次積層された下部電極２、誘電体層３、拡散防止層６および上部電極４と、誘電体層３の周縁部と拡散防止層６との間に介設された絶縁樹脂層５とで全体が構成されており、絶縁樹脂層５の開口５ａ内で上部電極４が拡散防止層６および誘電体層３を介して下部電極２と対向している。

基板１はアルミナ基板（例えば、純度９９．５％）からなり、この基板１上に下部電極２が薄膜形成されている。下部電極２は、スパッタ法等により形成されたＴｉ／Ｃｕ層からなる下地層２ａと、この下地層２ａ上にメッキ法により形成されたＣｕ／Ｎｉ層からなる電極層２ｂとで構成されている。誘電体層３はＳｉＯ₂からなり、下部電極２上とその周囲の基板１上にスパッタ法等により薄膜形成されている。誘電体層３を露出させる開口５ａを有する絶縁樹脂層５は、フォトレジストを感光することによって誘電体層３の周縁部を覆う位置に形成されている。拡散防止層６はＴａＮ層からなり、絶縁樹脂層５上および開口５ａ内の誘電体層３上にスパッタ法等により薄膜形成されている。この拡散防止層６には、下部電極２上に位置する上部電極４の側端面よりも外方へ延びる延出部６ａが形成されている。上部電極４は拡散防止層６上にメッキ法により形成されたＣｕ／Ｎｉ層からなる電極層４ｂのみで構成されているが、拡散防止層６が上部電極４の下地層としての機能も兼ね備えている。

なお、誘電体層３は下部電極２上から基板１上に至る段差部分ではカバレッジが悪くなるが、カバレッジ不良部分を含めて誘電体層３の周縁部が絶縁樹脂層５によって覆われているため、この薄膜キャパシタ素子１０は誘電体層３のカバレッジ不良に起因するブレイクダウン電圧の低下を確実に防止することができる。また、絶縁樹脂層５の開口５ａは高精度に形成することができるので、この薄膜キャパシタ素子１０は容量値のバラツキを抑えて品質を安定化させることが容易である。

次に、このように構成される薄膜キャパシタ素子１０の製造工程について、主に図４と図５を用いて説明する。

まず、下部電極２の形成工程として、図４（ａ）に示すように、基板１上にスパッタ法により下地層２ａとなる０．０５μｍのＴｉ層と０．１μｍのＣｕ層を順次成膜した後、このＴｉ／Ｃｕ層上にポジ型のフォトレジストをスピンコートし、これを露光して現像することにより、図４（ｂ）に示すように所望形状のレジストパターンを形成する。次いで、図４（ｃ）に示すように、Ｔｉ／Ｃｕ層上に電解メッキ法により３μｍのＣｕ層と０．３μｍのＮｉ層を順次成膜した後、図４（ｄ）に示すようにレジストパターンを剥離することによってＣｕ／Ｎｉ層からなる電極層２ｂを形成する。しかる後、ドライエッチング（ミリング法）によりＴｉ／Ｃｕ層をエッチングすることによって、図４（ｅ）に示すように、基板１上に下地層２ａおよび電極層２ｂからなる下部電極２を得る。

次に、誘電体層３の形成工程として、下部電極２の段差部分を含めて電極層２ｂ上と基板１上にスパッタ法により０．３μｍのＳｉＯ₂を成膜し、このＳｉＯ₂層をポジ型のフォトレジストを用いてエッチングすることにより、図４（ｆ）に示すように、下部電極２の天面と側端面から基板１に亘って連続する誘電体層３を形成する。この場合、下部電極２の段差部分において誘電体層３のカバレッジは悪くなっている。

次に、絶縁樹脂層５の形成工程として、図４（ｇ）に示すように誘電体層３の上から全面にフォトレジストをスピンコートした後、これを露光して現像することにより、図４（ｈ）に示すようにフォトレジストを所望形状にパターニングする。次いで、これをキュアー処理（２４０°Ｃ−６０分）することにより、図４（ｉ）に示すように、開口５ａを有する絶縁樹脂層５を形成する。この場合、絶縁樹脂層５のパターン形状はフォトレジストを感光する際のマスク精度に依存するため、開口５ａを高精度に形成することができる。また、前述したカバレッジ不良部分を含めて誘電体層３の周縁部は絶縁樹脂層５によって覆われるため、下部電極２の段差部分は誘電体層３と絶縁樹脂層５の両層によって覆われることになる。

次に、拡散防止層６と上部電極４の形成工程として、まず図５（ａ）に示すように、絶縁樹脂層５上の全面にスパッタ法により拡散防止層６となる０．１μｍのＴａＮ層を形成した後、このＴａＮ層上にポジ型のフォトレジストをスピンコートし、これを露光して現像することにより、図５（ｂ）に示すように所望形状のレジストパターンを形成する。次いで、図５（ｃ）に示すように、ＴａＮ層上に電解メッキ法により３μｍのＣｕ層と０．３μｍのＮｉ層を順次成膜した後、図５（ｄ）に示すようにレジストパターンを剥離することによって、Ｃｕ／Ｎｉ層からなる上部電極４（電極層４ｂ）を形成する。しかる後、ドライエッチング（ミリング法）によりＴａＮ層をエッチングすることによって、図５（ｅ）に示すように上部電極４の側端面よりも外方に位置する延出部６ａを備えた拡散防止層６を形成し、図１〜図３に示すような薄膜キャパシタ素子１０が得られる。

このように本実施形態例に係る薄膜キャパシタ素子１０では、誘電体層３上および絶縁樹脂層５上に金属層である拡散防止層６を設け、この拡散防止層６上に上部電極４が設けてあると共に、下部電極２上において拡散防止層６の一部（延出部６ａ）が上部電極４の側端面よりも外方へ延出させてあるので、上部電極４が誘電体層３に対して非接触に保たれており、かつ、上部電極４の側端面と下部電極２との間に上部電極４と同電位の延出部６ａが介在するため該側端面が通電時に電界の影響を受けにくくなっている。つまり、延出部６ａがないと仮定した場合、上部電極４が陽極で下部電極２が陰極のとき、上部電極４の側端面と下部電極２との間に発生する電界によってＣｕイオンが該側端面から絶縁樹脂層５内へ拡散して誘電体層３の絶縁性を損なう危険性があるが、本実施形態例では該側端面と下部電極２との間の電界を延出部６ａによってほぼ遮断することができるため、上部電極４内のＣｕイオンが絶縁樹脂層５を経由して誘電体層３内へ拡散するというマイグレーションが起こりにくくなっている。また、開口５ａ内では上部電極４と誘電体層３との間に拡散防止層６が介在しているため、上部電極４のＣｕイオンが誘電体層３へ直接拡散する虞もない。したがって、上部電極４内のＣｕイオンのマイグレーションに起因する誘電体層３の絶縁破壊を長期に亘って防止することができ、長寿命で信頼性の高い薄膜キャパシタ素子１０となっている。

なお、拡散防止層６の延出部６ａを基板１上まで延ばしておけば、図５（ｄ）の段階で薄膜キャパシタ素子１０が完成するため、最後のエッチング工程を省略することができる。ただし、絶縁樹脂層５を形成した後の工程で該絶縁樹脂層５内にガスが発生する高温の作業が行われる場合には、本実施形態例のように、絶縁樹脂層５の一部は拡散防止層６で覆わずにガス抜きが可能な状態にしておいたほうが良い。また、本実施形態例では、拡散防止層６がＴａＮ層からなる場合について説明したが、他の金属材料も適用可能である。具体的には、Ｔａ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗのいずれかを主成分とする金属材料やその窒化物によって拡散防止層６を形成することが好ましく、特に拡散防止層６の金属材料としてＴａやＴａＮを用いた場合にはマイグレーション防止効果を著しく高めることができる。

図６は本発明の第２実施形態例に係る薄膜キャパシタ素子の断面図であって、図３に対応する部分には同一符号を付してある。

本実施形態例に係る薄膜キャパシタ素子２０が前述した第１実施形態例に係る薄膜キャパシタ素子１０と相違する点は、上部電極４の電極層４ｂ用の密着強度の高い下地層４ａが拡散防止層６上に形成されている点にあり、それ以外の構成は基本的に同じである。ここで、下地層４ａは、下地層２ａと同じくＴｉ／Ｃｕ層からなり、このＴｉ／Ｃｕ層はＴａＮ層（拡散防止層６）よりも密着性に優れているため、薄膜キャパシタ素子２０は上部電極４（電極層４ｂ）の密着強度が前記薄膜キャパシタ素子１０よりも高まっている。

図７は本発明の第３実施形態例に係る薄膜キャパシタ素子の断面図であって、図６に対応する部分には同一符号を付してある。

本実施形態例に係る薄膜キャパシタ素子３０が前述した第２実施形態例に係る薄膜キャパシタ素子２０と相違する点は、拡散防止層６用の密着強度の高い下地金属層７が絶縁樹脂層５上および開口５ａ内の誘電体層３上に形成されている点にあり、それ以外の構成は基本的に同じである。ここで、下地金属層７はＴｉ層からなり、このＴｉ層はＴａＮ層（拡散防止層６）よりも密着性に優れているため、薄膜キャパシタ素子３０は拡散防止層６の密着強度が前記薄膜キャパシタ素子２０よりも高まっている。

なお、上述した各実施形態例では、基板１上に下部電極２を直接形成した場合について説明したが、基板１の表面に必要に応じて絶縁層をコーティングし、この絶縁層を介して下部電極２を基板１上に形成するようにしても良い。

本発明の第１実施形態例に係る薄膜キャパシタ素子の平面図である。図１のII−II線に沿う断面図である。図１のIII−III線に沿う断面図である。該薄膜キャパシタ素子の製造工程を示す説明図である。該薄膜キャパシタ素子の製造工程を示す説明図である。本発明の第２実施形態例に係る薄膜キャパシタ素子の断面図である。本発明の第３実施形態例に係る薄膜キャパシタ素子の断面図である。従来例に係る薄膜キャパシタ素子の断面図である。

符号の説明

１０，２０，３０薄膜キャパシタ素子
１基板
２下部電極
３誘電体層
４上部電極
４ａ下地層
４ｂ電極層
５絶縁樹脂層
５ａ開口
６拡散防止層
６ａ延出部
７下地金属層

Claims

基板上に順次形成された下部電極および誘電体層と、この誘電体層を露出させる開口を有して該誘電体層の周縁部を覆う位置に形成された絶縁樹脂層と、この絶縁樹脂層上および前記開口内の前記誘電体層上に形成された金属材料からなる拡散防止層と、この拡散防止層上に形成されて前記開口内で該拡散防止層および前記誘電体層を介して前記下部電極と対向する上部電極とを備え、前記拡散防止層に、前記下部電極上に位置する前記上部電極の側端面よりも外方へ延びる延出部を設ける構成としたことを特徴とする薄膜キャパシタ素子。
請求項１の記載において、前記上部電極が、前記拡散防止層上に形成された密着強度の高い下地層と該下地層上に形成された電極層とで構成されていることを特徴とする薄膜キャパシタ素子。
請求項１または２の記載において、前記絶縁樹脂層上および前記開口内の前記誘電体層上に密着強度の高い下地金属層が形成されており、該下地金属層上に前記拡散防止層が形成されていることを特徴とする薄膜キャパシタ素子。
請求項１〜３のいずれか１項の記載において、前記拡散防止層がＴａ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗのいずれかを主成分とする金属材料からなることを特徴とする薄膜キャパシタ素子。
請求項１〜３のいずれか１項の記載において、前記拡散防止層がＴａ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗのいずれかの窒化物からなることを特徴とする薄膜キャパシタ素子。