JP2007110127A - 薄膜キャパシタの製造方法、それにより製造される薄膜キャパシタおよびこれを有する薄膜キャパシタ内蔵型印刷回路基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】下部電極の酸化を防止し、さらに下部電極と誘電体層の界面で欠陥を防止してＢＤＶ特性を確保できる薄膜キャパシタの製造方法と該薄膜キャパシタが内蔵された印刷回路基板を提供すること。
【解決手段】薄膜キャパシタの製造方法は、金属ホイールを再結晶熱処理する段階と、上記再結晶熱処理した金属ホイールの上部に誘電体層を形成する段階と、上記金属ホイールと誘電体層を熱処理する段階と、上記熱処理した誘電体層の上部に上部電極を形成する段階と、を含んで成る。本発明において金属ホイールの再結晶は、低温から短時間で行われるため金属ホイールの酸化が防止されながら再結晶される。従って、誘電体層の高温熱処理が可能となり、これによって薄膜キャパシタの電気的特性及び製品の信頼性を改善できる。
【選択図】 図１
【解決手段】薄膜キャパシタの製造方法は、金属ホイールを再結晶熱処理する段階と、上記再結晶熱処理した金属ホイールの上部に誘電体層を形成する段階と、上記金属ホイールと誘電体層を熱処理する段階と、上記熱処理した誘電体層の上部に上部電極を形成する段階と、を含んで成る。本発明において金属ホイールの再結晶は、低温から短時間で行われるため金属ホイールの酸化が防止されながら再結晶される。従って、誘電体層の高温熱処理が可能となり、これによって薄膜キャパシタの電気的特性及び製品の信頼性を改善できる。
【選択図】 図１
Description
本発明は、薄膜キャパシタの製造方法と、それにより製造される薄膜キャパシタと、この薄膜キャパシタが内蔵された印刷回路基板に関する。より詳細には、本発明は、静電容量の特性とＢＤＶ（絶縁破壊電圧）の特性を向上させることのできる薄膜キャパシタの製造方法と、それにより製造される薄膜キャパシタと、これを有する薄膜キャパシタ内蔵型印刷回路基板に関する。
印刷回路基板上に搭載されていた各種の受動素子は、製品の小型化に大きな妨害となっている。特に、半導体能動素子が漸次に内蔵化されその入出力端子数が増加するにつれ、その能動素子の周囲にさらに多くの受動素子の確保空間が要求されている。
代表的な受動素子にはキャパシタがある。キャパシタは運用周波数の高周波化によってインダクタンスを減少させるため入力端子と最近接距離に配置されることが有利である。
このような小型化と高周波化の要求を満足させるため最近内蔵型キャパシタの具現方案が活発に研究されつつある。内蔵型キャパシタは印刷回路基板に内蔵された形態として、製品のサイズを画期的に減少させることができる。また、能動素子の入力端子に近接距離に配置することができるため導線長さを最小化して誘導インダクタンスを大きく低減させることができ、高周波ノイズ除去にも有利である。
内蔵型キャパシタの代表的な例として特許文献１〜３に提案されている。これら特許は、米国のサンミナ（Ｓａｎｍｉｎａ）社が提案した技術として、印刷回路基板（ＰＣＢ）の内層にキャパシタ特性を有する別途の誘電体層を挿入してキャパシタを具現している。該技術において誘電体層は、ＦＲ４として知られたＰＣＢ資材を用いても特性が具現されることが知られている。また、要求する静電容量を具現するために誘電体層として、誘電率が高い強誘電体粉末が分散されたエポキシのポリマー（ポリマー−セラミック複合体）が使用できることが知られている。
しかし、ポリマー−セラミックの複合体を誘電体層として使用する場合、静電容量の限界によってパッケージ水準の小型サイズに内蔵できないという問題点がある。従って、電子産業で要求される大部分のディカップリングキャパシタを内蔵させるためには、誘電率を向上させ誘電体層の厚さを減らす様々な薄膜化技術が要求される。
内蔵型薄膜キャパシタの誘電体層としてポリマー−セラミックの複合体ではないセラミックを使用する技術が特許文献４に提案されている。この技術は、未処理金属ホイールの上部にセラミックの誘電体層を形成した後に８００〜１０５０℃の温度でアニーリングし、得られた誘電体を再−酸素化処理した後に伝導性層を形成するものである。該方法では、未処理金属ホイールを誘電体層と共に高温でアニーリングするため、金属ホイールが酸化によって静電容量が減少される。また、金属ホイールが誘電体層にストレスを付加して金属ホイールと誘電体層との界面で欠陥が生じＢＤＶ特性が低下される等の限界を有している。
熱処理過程中に金属ホイールの酸化を防止するため、金属ホイールと誘電体層との間にＮｉ等のバリア層を形成して酸化を防止する方法（特許文献５）と、誘電体層とのアニーリング工程で分圧を調節する方法（特許文献６）等が提案されている。このような方法によって、金属ホイールの酸化はある程度防止することができる。
一方、特許文献７には、ニッケルコーティングされた銅基板を誘電体層のアニーリング温度（５００〜６００℃）より高い温度から無酸素雰囲気で予備アニーリングする方法が提案されている。この方法は、金属ホイールと誘電体層のアニーリング過程において、銅イオンの誘電体層への移動を防止するため予備アニーリングするが、予備アニーリングは４００〜８２０℃の温度で充分時間を持って熱処理することである。予備アニーリング温度が４００℃の場合には約１２０分間長時間熱処理する。そして、バリア層のニッケル膜の厚さは０．１〜２．０μｍ水準である。
該技術によって無酸素雰囲気で予備熱処理をしても銅の酸化が進行され静電容量の特性が急激に低下される問題点がある。
本発明は、薄膜キャパシタの下部電極の酸化を防止し、さらに下部電極と誘電体層との界面で欠陥の生成を防止してＢＤＶ特性を確保できる薄膜キャパシタの製造方法と該薄膜キャパシタが内蔵された印刷回路基板を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための本発明の薄膜キャパシタの製造方法は、金属ホイールを再結晶熱処理する段階と、上記再結晶熱処理した金属ホイールの上部に誘電体層を形成する段階と、上記金属ホイールと誘電体層を熱処理する段階と、上記熱処理した誘電体層の上部に上部電極を形成する段階と、を含んで成る。
本発明では金属ホイールを事前に再結晶熱処理して誘電体層との熱処理過程において金属ホイールと誘電体層の界面で欠陥の発生を防止する。
本発明によると、金属ホイールの再結晶熱処理は、金属ホイールの再結晶のためのものであるため高温でなくとも可能であり、短時間でも可能である。高温でなく短時間で行うため再結晶熱処理を大気雰囲気で行っても金属ホイールの酸化に対する恐れがないのである。
好ましい金属ホイールの再結晶熱処理温度は１００〜４５０℃であって、４００〜４５０℃のようにやや高い温度領域では短時間で行うことが好ましい。長時間行うと酸化によって静電容量の誘電特性が低下される。
本発明の特許請求範囲に記載された技術思想に基づいて様々な変更が可能であるが、最も好ましい実施形態は次の通りである。
金属ホイールを１００〜４５０℃の温度で５〜３０分間再結晶熱処理する段階と、上記再結晶熱処理した金属ホイールの上部に誘電体層を形成する段階と、上記金属ホイールと誘電体層を熱処理する段階と、上記熱処理した誘電体層の上部に上部電極を形成する段階と、を含んで構成される。
本発明において、再結晶熱処理でその雰囲気に特別な管理をしなくともよいため大気雰囲気でも行うことができる。
本発明において金属ホイールは、ＣｕまたはＣｕ合金から選択された１種からなることが好ましい。
再結晶熱処理前の下部電極膜の上部には、バリア層がさらに形成されるが、バリア層はＮｉが最も好ましい。
本発明において誘電体層は、強誘電体であれば可能で、その例としてＰＺＴ、ＰＬＺＴから選択された１種であることができる。
本発明において上部電極は、導電性金属であれば可能であり、その例としてＣｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄのグループから選択された１種であることができる。
本発明によって製造される薄膜キャパシタは、印刷回路基板に適用することができる。
本発明によると、金属ホイールの酸化を防止しながら再結晶熱処理を行うため誘電体層の高温熱処理が可能となり、これによって薄膜キャパシタの電気的特性及び製品の信頼性を改善できる。
以下、本発明を詳細に説明する。本発明は、薄膜キャパシタから静電容量の減少とＢＤＶの特性が低下される原因を分析した結果によって完成されたものである。即ち、金属ホイールと誘電体層の同時熱処理過程では、金属ホイールの再結晶によって、誘電体層に応力を付加すると金属ホイールと誘電体層の界面で欠陥が発生してＢＤＶ特性が低下され、また金属ホイールの酸化によって静電容量が減少される。
金属ホイールの再結晶の問題を克服するためには、結晶化温度が低い誘電体材料を使用するか、或いは金属電極として再結晶化温度が高い金属材料を使用する方法がある。しかし、前者の場合、金属の再結晶化温度より低い温度で結晶化する誘電体材料は知られておらず、後者の場合、Ｐｔ、Ｐｄ等の金属材料があるが、これら材料を使用する場合材料単価が高くなる。
従って、本発明では金属ホイールの再結晶熱処理技術を導入した。これまで金属ホイールの酸化に起因した様々な問題に対しては対応策が報告されているが、金属ホイールの再結晶の観点から金属ホイールを熱処理する技術についての報告は無い。
勿論、特許文献７では誘電体層の形成前に銅ホイールを予備熱処理している。ここで予備熱処理は、再結晶の観点ではなく銅の原子が誘電体層へ拡散するのを防止する観点でなされており、高温で、または低温の場合には長時間熱処理が行われている。
この技術で銅イオンの拡散防止は、薄い酸化膜の誘導によることと推定される。本発明者等の実験によると、無酸化雰囲気から低温で熱処理しても長時間熱処理する場合には銅ホイールの酸化によって静電容量の減少が必然的に伴う問題を確認した。また、この技術ではバリア層であるニッケル膜の厚さは０．１〜２．０μｍ水準であるが、本発明者等の実験結果によると、このようなニッケル膜の厚さは熱処理過程で揮発される問題点を示した。
従って、本発明者等は金属ホイールの酸化を防止できる再結晶熱処理技術を導入して静電容量の減少とＢＤＶ特性の低下を解決して本発明を達成した。これを工程段階別に具体的に説明する。
先ず、本発明によって金属ホイールを再結晶熱処理する。金属ホイールはキャパシタを支持する基材として下部電極の役割をするものである。金属ホイールには安価で取扱いが容易なＣｕまたはＣｕの合金を使用することが好ましい。
金属ホイールにはバリア層をさらに形成することができる。この場合、バリア層は金属ホイールの一側面または両側面上に形成される。バリア層は酸化を防止するものであって、このような作用を有する金属であれば制限なく採用可能である。その例としてはＮｉがある。この場合、Ｐが３〜１５％程度含まれていてもよい。バリア層はメッキまたは蒸着のような手段によって形成することができる。メッキは電解メッキと無電解メッキのいずれも適用可能である。バリア層としてＮｉが採用される場合にＮｉは熱処理過程で揮発されてもよい。バリア層の厚さは０．８μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．８〜４μｍの厚さである。
次に、再結晶熱処理を行う。金属ホイールまたはバリア層が形成された金属ホイールの再結晶熱処理は、金属ホイールの再結晶のためのことであるため高温でなくとも可能で、短時間でも可能である。高温でなく短時間で行うため再結晶熱処理を大気雰囲気で行っても金属ホイールの酸化に対する恐れがないのである。
好ましい金属ホイールの再結晶熱処理温度は１００〜４５０℃であって、４００〜４５０℃のようにやや高い温度領域では短時間で行うことが好ましい。長時間行うと酸化によって静電容量の誘電特性が低下される。１００℃以上〜４００℃未満の領域では時間の制限はないが、４００〜４５０℃の区間では酸化の恐れが高くなるため５〜３０分間行うことが好ましい。再結晶熱処理温度が低過ぎたり、或いは時間が充分でないと再結晶が起きず、再結晶熱処理温度が高過ぎたり４００〜４５０℃のような温度で熱処理時間が３０分を超過すると酸化の恐れがある。４００℃未満の低温では多少時間が長くなっても酸化の恐れは少ない。
本発明の再結晶熱処理において雰囲気は特に制御されず、大気雰囲気で行っても構わない。再結晶熱処理が低温または４００〜４５０℃の区間では短時間で行うため、酸化の恐れがないからである。非酸化雰囲気より大気雰囲気は工程上管理が容易である。
再結晶熱処理した後に、金属ホイールまたはバリア層が形成された金属ホイールの上部には誘電体層を形成する。誘電体層の形成は、ゾル−ゲル、スピンコーティングまたは蒸着方法が適用されることができる。蒸着はＰＶＤ、ＡＬＤ、ＣＶＤ法がある。誘電体層は１０〜１０００ｎｍの厚さで形成することが好ましい。誘電体は薄膜キャパシタで使用する通常の誘電体であれば適用可能で、好ましくは強誘電体である。強誘電体にはＰＺＴ［Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3］またはＰＬＺＴ［（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3］、ＢＴＯ（ＢａＴｉＯ3）等がある。
誘電体層を形成した後に熱処理する。熱処理は誘電体層の結晶化のための温度で行う。
結晶化された誘電体薄膜の上部には上部電極を形成する。上部電極は薄膜キャパシタに適用される金属であれば任意の金属を用いることが可能であり、そのような金属の例としてはＰｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ等がある。上部電極膜の形成は蒸着またはメッキまたはこれらを併行して使用されることができる。蒸着としてはＰＶＤ、ＣＶＤ等を用いることが可能であり、メッキは無電解メッキまたは電解メッキ等を適用することができる。上部電極膜の厚さは０．１〜１００μｍが好ましい。
本発明によって製造される薄膜キャパシタは、印刷回路基板に内蔵されるに適している。本発明の薄膜キャパシタは、一つ以上のラミネート層に積層することができる。例えばＣＣＬ（Ｃｏｐｐｅｒ Ｃｌａｄ Ｌａｍｉｎａｔｅ）のように資材の上部にポリマー基材を積層し、該ポリマーの基材上に薄膜キャパシタを積層して圧着し印刷回路基板を製造することができる。本発明によって製造された薄膜キャパシタは、通常の印刷回路基板の製造工程によって印刷回路基板に内蔵することができる。
以下、本発明を実施例を通じてより具体的に説明する。
［実施例１］
Ｃｕホイールの上部にＮｉ（Ｐを８〜１２％含有）を無電解メッキによって４μｍの厚さで形成した。ＮｉメッキされたＣｕホイールを３００℃で１０分間大気雰囲気で熱処理して再結晶化させた。再結晶化処理した後、Ｎｉの上部にＰＺＴの強誘電体ゾルを３０００ｒｐｍで２０秒間スピンコーティングして誘電体層を形成した。次いで４５０℃で１０分間熱処理した後、窒素雰囲気で５５０℃、３０分間維持して結晶化させた。窒素雰囲気下で熱処理時昇温速度は分当たり２℃、窒素ガス流入量は５リットルにした。熱処理された誘電体層の上部にＤＣスパッタを用いてＡｕを蒸着した。これを上部電極にして電気的特性を測定した。電気的特性は図１に示した。
Ｃｕホイールの上部にＮｉ（Ｐを８〜１２％含有）を無電解メッキによって４μｍの厚さで形成した。ＮｉメッキされたＣｕホイールを３００℃で１０分間大気雰囲気で熱処理して再結晶化させた。再結晶化処理した後、Ｎｉの上部にＰＺＴの強誘電体ゾルを３０００ｒｐｍで２０秒間スピンコーティングして誘電体層を形成した。次いで４５０℃で１０分間熱処理した後、窒素雰囲気で５５０℃、３０分間維持して結晶化させた。窒素雰囲気下で熱処理時昇温速度は分当たり２℃、窒素ガス流入量は５リットルにした。熱処理された誘電体層の上部にＤＣスパッタを用いてＡｕを蒸着した。これを上部電極にして電気的特性を測定した。電気的特性は図１に示した。
図１（ａ）に示された通り、金属再結晶層がない従来例の場合、低い漏れ電流特性を示すが電圧が増加するにつれ漏れ電流の増加が大きくなった。また、６〜８Ｖの電圧の間で絶縁破壊現象を示すことを確認した。このようなブレイクダウンは、誘電体がそれ以上誘電体としての役割ができないことを意味する。その反面、本発明によって再結晶熱処理した場合には１０ＶまでＢＤＶの特性を表さなかった。
図１（ｂ）には、周波数による静電容量密度特性が示されている。本発明によって再結晶熱処理した場合には、再結晶熱処理しない従来例に比べ静電容量特性が改善されることが確認できた。
［実施例２］
Ｃｕホイールの上部にＮｉ（Ｐを８〜１２％含有）を無電解メッキによって４μｍの厚さで形成した。ＮｉメッキされたＣｕホイールを大気雰囲気で図２の条件で熱処理して再結晶化させた。
Ｃｕホイールの上部にＮｉ（Ｐを８〜１２％含有）を無電解メッキによって４μｍの厚さで形成した。ＮｉメッキされたＣｕホイールを大気雰囲気で図２の条件で熱処理して再結晶化させた。
再結晶化処理した後Ｎｉの上部にＰＺＴの強誘電体ゾルを３０００ｒｐｍで２０秒間スピンコーティングして誘電体層を形成した。次いで４５０℃で１０分間熱処理した後、窒素雰囲気で５５０℃、３０分間維持して結晶化させた。窒素雰囲気下で熱処理時昇温速度は分当たり２℃、窒素ガス流入量は５リットルにした。熱処理された誘電体層の上部にＤＣスパッタリングを用いてＡｕを蒸着した。これを上部電極にして電気的特性を測定した。電気的特性は図２に示した。
図２に示された通り、３００℃で１０分間熱処理した場合が静電容量特性が最も優れていた。４００℃で６０分間熱処理した場合は漏れ電流の特性は良いものの静電容量の特性が衰えていた。
本発明において上記実施形態は一つの例示として示されたものであり、本発明はこれに限定されるものではない。本発明の特許請求範囲に記載された技術的思想と実質的に同様の構成を有し同様の作用効果を奏するのは如何なるものも本発明の技術的範囲に含まれる。例えば、本発明の実施例では誘電体としてＰＺＴを使用しているが、他にも内蔵型キャパシタで使用される強誘電体は適用可能である。
Claims (13)
- 金属ホイールを再結晶熱処理する段階と、
前記再結晶熱処理した金属ホイールの上部に誘電体層を形成する段階と、
前記金属ホイールと誘電体層を熱処理する段階と、
前記熱処理した誘電体層の上部に上部電極を形成する段階と、
を含んで成る薄膜キャパシタの製造方法。 - 前記再結晶熱処理は、１００℃以上〜４００℃未満の温度で行うことを特徴とする請求項１に記載の薄膜キャパシタの製造方法。
- 前記再結晶熱処理は、４００〜４５０℃の温度で５〜３０分間行うことを特徴とする請求項１に記載の薄膜キャパシタの製造方法。
- 金属ホイールを１００〜４５０℃の温度で５〜３０分間再結晶熱処理する段階と、
前記再結晶熱処理した金属ホイールの上部に誘電体層を形成する段階と、
前記金属ホイールと誘電体層を熱処理する段階と、
前記熱処理した誘電体層の上部に上部電極を形成する段階と、
を含んで成る薄膜キャパシタの製造方法. - 前記再結晶熱処理は、大気雰囲気で行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の薄膜キャパシタの製造方法。
- 前記金属ホイールは、ＣｕまたはＣｕ合金から選択された１種であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の薄膜キャパシタの製造方法。
- 前記再結晶熱処理前下部電極膜の上部には、バリア層がさらに形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の薄膜キャパシタの製造方法。
- 前記バリア層は、Ｎｉであることを特徴とする請求項７に記載の薄膜キャパシタの製造方法。
- 前記Ｎｉのバリア層は、０．８〜４μｍであることを特徴とする請求項８に記載の薄膜キャパシタの製造方法。
- 前記誘電体層は、ＰＺＴ、ＰＬＺＴから選択された１種であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の薄膜キャパシタの製造方法。
- 前記上部電極は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄのグループから選択された１種であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の薄膜キャパシタの製造方法。
- 請求項１または請求項４に記載の方法により製造された薄膜キャパシタ。
- ポリマーの基材上に請求項１２に記載の薄膜キャパシタが積層されて成る薄膜キャパシタ内蔵型印刷回路基板。
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