JP2008004734A - 集積化受動素子及び集積化受動素子内蔵多層配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で高い信頼性を有する集積化受動素子、及び、この集積化受動素子を内蔵した多層配線基板を提供する。
【解決手段】集積化受動素子は、基板１０１上に、下部電極１０２、第一の絶縁膜１０３、及び、上部電極１０４から成る第一のキャパシタと、上部電極１０４、上部電極１０４を覆う第二の絶縁膜１０５、及び、下部電極１０２に接続され第二の絶縁膜上に形成した外部電極１０７ａから成る第二のキャパシタと、上部電極に接続され、外部電極と同層に形成された導電体１０６から成る抵抗体とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイス近傍に配置される集積化受動素子、及び、集積化受動素子内蔵多層配線基板に関し、特に、複数の受動素子を配置し小型で高い信頼性を有する集積化受動素子、及び、そのような受動素子を内蔵する受動素子内蔵多層配線基板に関する。

近年、電子機器の高性能化や高機能化を図るために、受動部品の高密度実装に対する市場の要求が高まっている。このような要求に応えるために、受動部品のサイズは、１００５サイズ（縦が１．０ｍｍ、横が０．５ｍｍ）から０６０３サイズ（縦が０．６ｍｍ、横が０．３ｍｍ）へと小型化の一途をたどっている。更に、０４０２サイズ（縦が０．４ｍｍ、横が０．２ｍｍ）の受動部品も開発される傾向にある。

しかし、現時点では、これ以上のチップサイズの小型化は、技術上及び実装機側の事情から困難であるとの認識がある。このような背景から、受動部品を、樹脂やセラミクスを基材とする多層配線基板に内蔵させることによって、受動部品の基板面積を削減し、多層配線基板を小型化する技術が注目されている。

受動部品を多層配線基板に内蔵する技術に関しては、従来からいくつか提案されている。例えば、非特許文献１では、受動部品を、樹脂を基材とした多層配線基板に内蔵した技術が報告されている。また特許文献１では、セラミクスを基材とした多層配線基板にコンデンサ部品を内蔵した技術について開示されている。しかしながら、樹脂やセラミクスを基材として採用しても、受動部品の小型が困難である背景から、受動部品を内蔵した多層配線基板の小型、薄型化も同様に困難となってきている。

そこで、受動部品を多層配線基板に内蔵する技術に対して、受動素子や配線をガラス基板などの基板上に直接に形成し、集積化する技術が提案されている。特に、近年の技術の背景としては、非特許文献２や特許文献２に示されるように、無機誘電体層を容量絶縁膜とする高容量キャパシタと、高容量キャパシタの上部に形成される有機誘電体層を容量絶縁膜とする低容量キャパシタとを横方向に並べて配置し、集積化したＬＣＲフィルターが提案されている。

エレクトロニクス実装学会誌 第５巻 第７号 p622 - 629 特開平９−２３０６６号公報 IEEE Microwave Conference, 2000 Asia-Pacific、p221 - 224 特開２００２−２８０２６１号公報

上記提案された、高容量キャパシタ及び低容量キャパシタを有するＬＣＲフィルタが形成された多層配線基板では、有機誘電体層を容量絶縁膜とする低容量キャパシタは、有機誘電体の透水性及び吸水性により、低容量キャパシタの特性が変動しやすいという問題がある。

また、有機誘電体層は、高容量キャパシタの上部電極と下部電極との絶縁性をより高める役割をも果たすものの、前述の有機誘電体の透水性及び吸水性により、有機誘電体の絶縁性が劣化し、次いで高容量キャパシタの上部電極と下部電極との絶縁性能が劣化することがある。このため、高容量キャパシタの特性が劣化し、高い信頼性が得られない。また吸湿による誘電体の特性劣化の問題は、有機誘電体に限らず、ペロブスカイト構造を有する酸化物であっても同様に起こりうる問題である。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を除き、キャパシタの絶縁膜の絶縁劣化を防止することで、小型で高い信頼性を有する集積化受動素子及び集積化受動素子内蔵多層配線基板を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の第一の態様に係る集積化受動素子は、基板上に順次に形成された下部電極、第一の絶縁膜、及び、上部電極から成る容量素子と、該容量素子を覆う第二の絶縁膜と、該第二の絶縁膜上に形成され、該第二の絶縁膜を貫通するプラグによって前記下部電極及び上部電極にそれぞれ接続される第一及び第二の導電体とを備える集積化受動素子であって、
前記第一の導電体が、前記上部電極の少なくとも一部を覆う位置に形成されていることを特徴とする集積化受動素子。

また、本発明の第二の態様に係る集積化受動素子は、基板上に順次に形成された下部電極、第一の絶縁膜、及び、上部電極から成る容量素子と、該容量素子を覆う第二の絶縁膜と、該第二の絶縁膜上に形成され、該第二の絶縁膜を貫通するプラグによって前記下部電極及び上部電極にそれぞれ接続される第一及び第二の導電体とを備える集積化受動素子であって、
前記第一の導電体と前記下部電極とを接続するプラグが前記上部電極の周囲を囲んで形成されていることを特徴とする集積化受動素子。

本発明の第一の態様に係る集積化受動素子では、第一の導電体と上部電極とにより、別の容量素子が形成され、更に、その別の容量素子の容量絶縁膜である第二の絶縁膜は、その上部に位置する第一の導電体によって外部から侵入する水分から保護されるため、その絶縁性劣化が抑制される。また、それに伴い、第二の絶縁膜の下層に位置する容量素子における第一の絶縁膜の絶縁性劣化も抑制されるので、高い信頼性を有する容量素子を有する集積化受動素子を提供することができる。ここで、第二の絶縁膜は、単層であってもよく、或いは、複数層の積層であってもよい。また、第一の導電体と第二の導電体とは、必ずしも同層の配線層で形成されなくともよい。

本発明の第二の態様に係る集積化受動素子では、第一の導電体と下部電極とを接続するプラグと、容量素子の上部電極との間で、別の容量素子が形成され、更に、容量絶縁膜を構成する第一及び第二の絶縁膜は、上部電極及び第一の絶縁膜と第二の絶縁膜の一部とを囲むプラグによって、外部から侵入する水分から保護され、絶縁性劣化が抑制されるので、高い信頼性を有する容量素子を有する集積化受動素子を提供することができる。

本発明の第一の態様に係る集積化受動素子では、前記上部電極は、前記第一及び第二の導電体により全体が覆われているとすることが出来る。上部電極上に形成された第二の絶縁膜の部分を、できるだけ広い範囲で上部の導電体で保護することにより、更に高い信頼性が得られる。

また、前記第一の導電体と前記下部電極とを接続するプラグが前記上部電極の周囲を囲んで形成されていてもよい。容量絶縁膜の信頼性が更に向上する。

本発明の第二の態様に係る集積化受動素子では、前記第二の導電体が、前記上部電極の少なくとも一部を覆う位置に形成されていてもよい。また、前記第一の導電体が、前記上部電極の少なくとも一部を覆う位置に形成されていてもよい。

本発明の第一及び第二の態様に係る集積化受動素子では、前記第一及び第二の導電体の一方が外部接続用電極を構成し、他方が抵抗体又は外部接続用電極を構成していてもよい。外部接続用電極を容量素子電極に用い、或いは、抵抗体として用いることにより、集積化受動素子の集積度が向上する。また、本構成において、前記第一及び第二の導電体を覆う第三の絶縁膜と、該第三の絶縁膜上に形成され前記第一及び第二の導電体とそれぞれプラグを介して接続される第三及び第四の導電体を有していてもよい。この場合、前記第三及び第四の導電体が、それぞれはんだボールを搭載する外部接続用電極に接続される構成も採用できる。

前記第一及び第二の導電体、或いは、第一〜第四の導電体が、それぞれ、金属、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物のいずれかを主成分として含むことが出来る。前記第一及び第二の絶縁膜の少なくとも一方を、ペロブスカイト構造を有する酸化物で構成してもよく、また、前記第二の絶縁膜が無機誘電体からなる構成も採用できる。或いは、これに代えて、前記第二の絶縁膜が樹脂材料からなるとしてもよい。

上記基板は、シリコン、樹脂又はガラス材料から構成することが出来る。更には、本発明の集積化受動素子は、集積化受動素子を内蔵する多層配線基板内に形成してもよい。基板をシリコンで構成すると、受動素子をシリコンチップとして構成でき、半導体チップと同様に扱うことが出来る。

本発明の望ましい実施の形態を説明する。本発明の第一の実施形態に係る集積化受動素子の断面図を図１に示す。

本実施形態に係る集積化受動素子は、基材１０１上に、無機材料によって構成された第一の絶縁膜１０３が下部電極１０２と上部電極１０４との間に挟持された構造を有し、また、下部電極１０２と上部電極１０４との間の絶縁性を高めるために形成された絶縁膜１０５を有し、第二の絶縁膜１０５上に形成され抵抗体を構成する導電体１０６の投影面が上部電極１０４の一部を覆う構造をとっている。導電体１０６は、下部電極１０２の外部接続用電極と電気的に接続しても良く、また上部電極１０４の外部接続用電極１０７ｄと電気的に接続しても良い。導電体１０６からなる抵抗体とキャパシタとを積層することによって集積化受動素子を形成することができ、また外部からの吸湿に対しても第一の絶縁膜１０３及び第二の絶縁膜１０５の特性劣化を抑制することができる。更に、これらの受動素子が横置きに形成された従来の集積化受動素子よりも小型化が可能な望ましい形態となる。

第一の絶縁膜１０３は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物や、金属酸化物、ペロブスカイト構造を有する酸化物、或いは、樹脂のいずれであっても構わない。無機絶縁体のうちでも、特に金属酸化物やペロブスカイト構造を有する酸化物とすることで、高容量のキャパシタが得られる。例えば、シリコン酸化膜の比誘電率が４程度であるのに対し、シリコン窒化物は７程度、アルミナは１０程度、五酸化タンタルは２５程度であり、ペロブスカイト構造を有するチタン酸ストロンチウムは例えば３００程度、チタン酸ジルコン酸塩は例えば１０００程度の比誘電率を有する。また第二の絶縁膜１０５は、第一の絶縁膜１０３と同様に、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物や、金属酸化物、ペロブスカイト構造を有する酸化物、或いは、樹脂材料のいずれであっても構わない。しかし、第二の絶縁膜をペロブスカイト構造の酸化物で形成すると、高い比誘電率を得るために高温処理を必要とするので、受動素子内の他の材料の耐熱性能を考慮する必要がある。導電体１０６は、一層以上の層からなる金属や導電性の酸化物及び窒化物でも構わない。外部接続用電極１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄを厚膜のＣｕ、Ａｕ等で形成することにより、接続信頼性が向上するため好適である。

従来の集積化受動素子の断面図を図２に示す。この従来技術では、下部電極１０２、無機誘電体から成る第一の絶縁膜１０３、及び、上部電極１０４から成る高容量キャパシタと、上部電極１０４、有機誘電体膜（第２の絶縁膜）１０５、及び、下部電極１０２と接続された電極１０７から成る低容量キャパシタとが形成されている。有機誘電体膜１０５を容量絶縁膜とする低容量キャパシタは、外部からの吸湿に対して保護されていないため、有機誘電体膜１０５の透水性及び吸水性によって低容量キャパシタの特性が変動し、または劣化することが懸念される。

また、従来の集積化受動素子では、無機誘電体膜１０３を容量絶縁膜とする高容量キャパシタは縦型に配置されるものの、有機誘電体膜１０５を容量絶縁膜とする低容量キャパシタは横置きに配置され、更に抵抗体を成す導電体１０６も横置きにしか配置できない構造である。このため、これ以上の集積化は困難である。更に高容量キャパシタ、低容量キャパシタ、そして抵抗の受動素子の配置に自由度がない。このため、従来の集積化受動素子では、その基板面積を削減することが困難となる。図１の実施形態の集積化受動素子では、下部電極１０２に接続され有機誘電体膜１０５上に形成された外部接続用電極１０７が上部電極の上部を覆う構造を有するので、上部電極１０４、有機誘電体膜１０５及び外部接続用電極１０７により、低容量キャパシタが形成され、この低容量キャパシタの容量や配置などの自由度が高い構造が得られる。

次に、本発明の第二の実施形態に係る集積化受動素子の断面図を図３に示す。本実施形態の集積化受動素子は、ガラスからなる基材１０１上に、無機材料によって構成された誘電体膜１０３が下部電極１０２と上部電極１０４との間で挟持された構造を有し、下部電極１０２と上部電極１０４との間の絶縁性を高めるために形成された第二の絶縁膜１０５を有し、第二の絶縁膜１０５上に形成された下部電極１０２の外部接続用電極の投影面が上部電極１０４の一部を覆う構造をとっている。

下部電極１０２、第一の絶縁膜１０３、及び、上部電極１０４からなるキャパシタと、上部電極１０４、第二の絶縁膜１０５、及び、下部電極１０２の外部接続用電極１０７ａからなるキャパシタとが積層され、並列に接続されている。外部接続用電極１０７ａと上部電極１０４との間で狭持された第二の絶縁膜１０５は、外部接続用電極１０７ａ及び１０７ｂにより外部からの水分の侵入に対して保護された構造となり、従来構造より高い信頼性を有することが出来る。

更に、上部電極１０４を二つのキャパシタにおける共通の電極とすることで、キャパシタ電極の削減のみならず、２つのキャパシタを積層する構造とすることで、集積化受動素子の小型化が実現できる。特に第二の絶縁膜１０５は、無機材料のシリコン酸窒化物や、金属酸化物、ペロブスカイト構造を有する酸化物、或いは、樹脂のいずれでも構わない。特に、第一の絶縁膜１０３と同様に金属酸化物やペロブスカイト構造を有する酸化物で形成した場合には、第一の絶縁膜１０３を容量絶縁膜とするキャパシタの容量と同程度の容量が得られ、全体としては約２倍の高容量化ができるため好適である。また第二の絶縁膜１０５が無機材料のシリコン酸窒化物や樹脂の場合には、第二の絶縁膜１０５を容量絶縁膜とするキャパシタは、第一の絶縁膜１０３を容量絶縁膜とするキャパシタに対して、数％の容量を有するため、高容量キャパシタの容量調整のためのキャパシタとして使用でき、好適である。

本発明の第三の実施形態に係る集積化受動素子の断面図を図４に示す。本実施形態の集積化受動素子は、図３に示した第二の実施形態の構成要素に、第三の絶縁膜１０８、外部接続用電極１１０ａ及び１１０ｂを付加した構成を除いて第二の実施形態と同様な構成を有する。第一の絶縁膜１０３及び第二の絶縁膜１０５のそれぞれを容量絶縁膜とする第一及び第二のキャパシタの容量が不足する場合には、絶縁膜１０８を容量絶縁膜とする第三のキャパシタを、下部電極１０２のための電極１０７ａ、絶縁膜１０８及び外部接続用電極１１０ｂで形成する。電極外部接続用電極１１０ａ及び１１０ｂの形成は、配線パターンを形成する工程において、付加的に容量を追加することが容易であり、大容量を必要とする場合に更に望ましい形態となる。更に、積層することでより大容量のキャパシタを有する集積化受動素子を形成することができ、望ましい形態となる。

第三の絶縁膜１０８は、無機材料のシリコン酸窒化物や、金属酸化物、ペロブスカイト構造を有する酸化物、或いは、樹脂であっても構わない。第三の絶縁膜１０８を金属酸化物やペロブスカイト構造を有する酸化物とすれば、第二の実施形態の場合よりも更に大容量化に好適であり、また、第三の絶縁膜１０８をシリコン酸窒化物や樹脂とした場合には、第一の絶縁膜１０３を容量絶縁膜とするキャパシタの容量調整用キャパシタとして好適である。

図５（ａ）は、本発明の第四の実施形態に係る集積化受動素子を示す断面図であり、図５（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ、図５（ａ）のＡ−Ａ'矢視及びＢ−Ｂ'矢視を示す平面図である。本実施形態の集積化受動素子は、図３に示した第二の実施形態の変形例であり、下部電極１０２の外部接続用電極１０７ａに囲われた領域内に、第一の絶縁膜１０３、上部電極１０４、一部の第二の絶縁膜１０５、及び、第二の外部接続用電極１０７ｂが配設される点で図３の実施形態と相違する。

本実施形態の集積化受動素子は、第二の実施形態及び第三の実施形態と同様に、集積化受動素子を小型化することができるだけでなく、第一の絶縁膜１０３及び第二の絶縁膜１０５を、下部電極１０２及び第一の外部接続用電極１０７aで囲うことにより、外部からの水分の侵入を抑制し、混入水分による絶縁性の劣化やキャパシタの劣化を防ぐことが可能になる。したがって、小型でかつ高い信頼性を有する集積化受動素子を形成でき、更に望ましい形態となる。なお、図５では、外部接続用電極１０７ａ、第二の絶縁膜１０５、及び、上部電極１０４でキャパシタを形成しているが、第一の実施形態のように外部接続用電極１０７ａを分割して、導電体を有する抵抗としても構わない。

特に、外部接続用電極１０７ａを厚膜のＣｕ、Ａｕ等で形成することで、下部電極１０２との接続信頼性が向上し、更に外部からの水分混入を抑制できるため好適である。また第三の絶縁膜１０８は、シリコン酸窒化物や金属酸化物などで形成することで、更に外部からの水分混入を抑制することができ、第一の絶縁膜１０３を容量絶縁膜とするキャパシタの信頼性が向上し、より好適である。

本発明の第五の実施形態に係る集積化受動素子内蔵多層配線基板の断面図を図６に示す。本実施形態の多層配線基板は、第四の実施形態の集積化受動素子と同様な構成を含んでおり、本実施形態では、下部電極１０２の外部接続用電極を複数に分割し、且つ上部電極１０４の投影面に導電体１０６を配置する点で、第四の実施形態の集積化素子と相違する。また、外部接続用電極１０７ｂによって、導電体１０６と上部電極１０４とを電気的に接続し、導電体１０６を抵抗体とし、上部電極１０４、第一の絶縁膜１０３及び下部電極１０２からなるキャパシタとしたRCフィルターを構成する。

本実施形態では、導電体１０６からなる抵抗体と、第一の絶縁層１０３を容量絶縁膜とするキャパシタとを積層した構造とすることができ、小型化した集積化受動素子として望ましい形態となる。また第一の絶縁膜１０３が、下部電極に接続されたプラグ、外部接続用電極１０７ａ及び導電体１０６で囲まれた構造となるため、外部からの水分の侵入を更に抑制し、混入水分による絶縁性の劣化やキャパシタの劣化を防ぐことが可能になり、更に望ましい形態が得られる。外部接続用電極の接続方法は、図６に示す接続方法に限らず、例えば外部接続用電極１０７ｂを分割し、第一の実施形態に示すような配置とし、後の工程での再配線工程により、集積化受動素子の接続の自由度を更に上げることができる。

外部接続用電極１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃそして１０７ｄを、厚膜のＣｕ、Ａｕ等で形成することで、接続信頼性は更に向上するため好適である。また、導電体１０６は、一層以上の層からなる金属や導電性の酸化物及び窒化物でも構わなく、特に窒化タンタルや窒化チタンで形成すると、第二の絶縁膜１０５との間で良好な密着性が得られる。また、厚膜のＣｕやＡｕを形成する複数からなるシード層の一層とすることができるため好適である。

本発明の第六の実施形態に係る集積化受動素子内蔵多層配線基板の断面図を図７に示す。本実施形態の集積化受動素子内蔵多層配線基板は、第一の実施形態の構成要素を含んでおり、耐湿性について高い信頼性を有するキャパシタに加えて、導電体１０６と同層に形成したインダクタ１０９を有しており、LCRフィルターとして構成される。本実施形態の集積化受動素子内蔵多層配線基板は、絶縁膜１０８、再配線層１１１、絶縁膜１１３を順次に形成し、再配線層１１１で任意の接続が可能であり、小型でかつ高い信頼性を有する集積化受動素子の内蔵が可能である。したがって小型化した集積化受動素子内蔵多層配線基板として望ましい形態である。

特に、内層配線の１０６ａ〜１０６ｄ、１１１、及び、インダクタの１０９は、厚膜のＣｕで形成することが好適であり、また、外部接続用ランドの配線１１４は厚膜のＡｕで形成することが好適である。

次に本発明の実施例について詳細に説明するが、本発明は、これら実施例にのみ限定されるものではない。

図１に示した第一の実施形態の集積化受動素子を作製し、第一の実施例とした。基材１０１には、０．５ｍｍ厚のガラス基板を用いた。基材１０１上に下部電極１０２を成膜するため、ＤＣスパッタ装置に基板を導入し、ＤＣスパッタ法により室温にてＴｉ、Ｐｔの順に積層成膜した。膜厚は、Ｔｉ：２０ｎｍ、Ｐｔ：２００ｎｍとした。Ｐｔは耐酸化電極、Ｔｉは基材となるガラス基板との密着層とし、積層膜の下部電極１０２を得た。次に下部電極上１０２上に第一の絶縁膜１０３を成膜するために、基板をＲＦスパッタ装置に導入した。基板温度を６００℃とし、ＲＦスパッタ法により、ペロブスカイト構造のＳｒＴｉＯ_３を５００ｎｍ成膜して、第一の絶縁膜１０３を得た。第一の絶縁膜１０３上に上部電極１０４としてＰｔを成膜するために、再度ＤＣスパッタ装置に基板を導入し、ＤＣスパッタ法により、室温にてＰｔを２００ｎｍ成膜した。

次に、フォトリソグラフィー法により、上部電極１０４上にフォトレジスト膜のパターニングを行い、イオンビームエッチングまたは化学エッチング法によりＰｔをエッチングし所望のパターンを形成し、その後有機溶剤及び酸素プラズマ処理によりフォトレジスト膜を除去した。次に、上部電極１０４の加工と同様にして、フォトリソグラフィー法により所望の形状にフォトレジスト膜をパターニングし、化学エッチング法によりＳｒＴｉＯ_３をエッチングすることで所望のパターンを形成し、その後有機溶剤及び酸素プラズマ処理によりフォトレジスト膜を除去した。

更に、下部電極１０２も同様にして所望のパターンを形成した。次に、第一の絶縁膜１０３を容量絶縁膜とするキャパシタの下部電極１０２と上部電極１０４の絶縁性を高めるために、第二の絶縁膜１０５を形成した。第二の絶縁膜として感光性樹脂を用いた。感光性樹脂を塗布し、露光及び現像することで、キャパシタの上部電極１０４及び下部電極１０２に第二の絶縁膜１０５の露出部を形成し、窒素雰囲気中で加熱、保持することで硬化させ、第二の絶縁膜１０５を形成した。

次に、外部接続用電極を形成するため、再度ＤＣスパッタ装置内に基板を導入し、全面にＴａＮ、Ｃｕの順に積層成膜した。膜厚は、ＴａＮ：５０ｎｍ、Ｃｕ：３００ｎｍとした。ここで、ＴａＮは、導電体１０６となる層で、また第二の絶縁膜１０５との密着層でもあるため、ＴａＮに限定されることなく、ＴｉＮやＮｉＣｒでもよい。次にフォトリソグラフィー法により、外部接続用電極１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄを形成する箇所に開口パターンを形成し、このレジストをマスクとし、Ｃｕ／ＴａＮ積層膜を給電層とする電解めっき法により、Ｃｕめっき層を厚み３μｍで形成し、厚膜の外部接続用電極１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄを形成した。Ｃｕめっき層の形成後、有機溶剤及び酸素プラズマ処理により一旦レジストを除去し、化学エッチング法により３００ｎｍのＣｕシード層を除去した。次いでフォトリソグラフィー法により、パターンの投影面の一部が上部電極を覆うようにレジストパターンを形成し、化学エッチング法により不要なＴａＮを除去した。

その後、有機溶剤及び酸素プラズマ処理によりフォトレジスト膜を除去し、所望のパターンの導電体１０６を得た。次に、第三の絶縁膜１０８としてエポキシ樹脂を用い、露光、現像により、外部接続用電極が外部と接続できるような開口部を有するようにパターンを形成し、図１に記載のキャパシタと抵抗とを集積化した集積化受動素子を得た。本集積化受動素子は、従来の集積化受動素子よりも、専有面積は約半減した。更に、導電体１０６が電気的に分離しつつもその投影面の一部が上部電極１０４を覆う構造であるため、第二の絶縁膜１０５が樹脂であっても、ペロブスカイト構造を有する酸化物からなる第一の絶縁膜１０３を容量絶縁膜とするキャパシタの耐湿負荷試験において、従来に比して絶縁劣化を軽減することができた。

更に、外部接続用電極１０７ａと１０７ｃとを接続することで、集積化受動素子のサイズを変えることなく、第二の絶縁膜１０５を容量絶縁膜とするキャパシタが得られた。外部接続用電極の接続自由度が高いので、集積化受動素子のサイズを変えることなく、様々な組み合わせ及び接続を有する集積化受動素子が得られた。

〔比較例１〕
比較例として、図２に示す従来構造を作製して比較例とした。本比較例は、インダクタ１０９を形成する点は第一の実施例とは異なるが、基材１０１上に下部電極１０２、第一の絶縁膜１０３、上部電極１０４を順次に積層成膜し、フォトリソグラフィー法によりそれぞれ所望のパターンを得て、第二の絶縁層１０５を形成する工程までは同一とした。本比較例では、第一の絶縁膜１０３を容量絶縁膜とする大容量キャパシタ、第二の絶縁膜１０５を容量絶縁膜とする低容量キャパシタ、及び、導電体１０６からなる抵抗とは、異なる基板領域に配置されているので、例えば高容量キャパシタと低容量キャパシタを並列接続したキャパシタアレイのみで、従来の集積化受動素子のサイズは、第一の実施例に比して２００％程度大きくなった。更に、本比較例では、第一の実施例に比して、高容量キャパシタ、低容量キャパシタ、及び、抵抗についての接続自由度が低い。

図３に示す第二の実施形態に係る集積化受動素子を作製し、第二の実施例とした。基材１０１上に、下部電極１０２、第一の絶縁膜１０３、及び、上部電極１０４を順次に積層成膜し、フォトリソグラフィー法によりそれぞれ所望のパターンを得た。ここまでの工程は、第一の実施例と同様である。本実施例では、下部電極１０２の外部接続用電極１０７ａの投影面の一部が上部電極１０４を覆う構造とし、外部接続用電極１０７ａ及び１０７ｂをそれぞれ、下部電極１０２及び上部電極１０４に電気的に接続した。第二の絶縁膜１０５として、プラズマＣＶＤ法により５０ｎｍのＳｉＯ_２膜を形成した。第二の絶縁膜１０５は、シリコン酸窒化物や、アルミナ、ジルコニア、ハフニアなどの金属酸化物、或いは、第一の絶縁膜１０３と同様にペロブスカイト構造を有するＳｒＴｉＯ_３であっても良く、また樹脂であってもよい。フォトリソグラフィー法によりレジストパターンを形成し、反応性イオンエッチング法により所望の孔を加工した。

その後、有機溶剤及び酸素プラズマ処理によりフォトレジスト膜を除去し、所望のパターンを得た。次に外部接続用電極１０７ａ、１０７ｂを形成するため、再度ＤＣスパッタ装置内に導入し、全面にＣｕ／ＴｉＮの順に積層成膜した。膜厚はＴｉＮ：５０ｎｍ、Ｃｕ：３００ｎｍとした。ここでＴｉＮは第二の絶縁膜１０５を誘電体としたキャパシタの電極として、また密着層としても機能する導電性材料であればよく、ＴｉＮに限定されることなく、Ｔｉ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｃｒでも良い。次にフォトリソグラフィー法により、外部接続用電極１０７ａ、１０７ｂを形成する箇所に開口パターンを形成し、このレジストをマスクとし、Ｃｕ／ＴｉＮ積層膜を給電層とし電解めっき法によりＣｕめっき層を３μｍ厚みに形成し、厚膜の外部接続用電極１０７ａ、１０７ｂを形成した。Ｃｕめっき層の形成後に、有機溶剤及び酸素プラズマ処理により一旦レジストを除去し、更に化学エッチング法によりＣｕ／ＴｉＮシード層を除去することで、図３に示す集積化受動素子を得た。第一の絶縁膜１０３を容量絶縁膜とする第一のキャパシタと、第二の絶縁膜を容量絶縁膜とする第二のキャパシタとが並列接続される構造であり、図２に示す従来構造に比べ、集積化受動素子の面積を約５０％削減する小型化が可能となった。

図４に示す第三の実施形態に係る集積化受動素子を作製し、第三の実施例を得た。基材１０１上に、下部電極１０２、第一の絶縁膜１０３、及び、上部電極１０４を順次に積層成膜し、フォトリソグラフィー法によりそれぞれ所望のパターンを得た。第二の絶縁膜１０５、及び、外部接続用電極１０７ａ、１０７ｂを形成するまでの工程は、第二の実施例と同様にした。第三の絶縁膜１０８を形成するために、ＣＶＤ装置内に基板を投入し、プラズマＣＶＤ法により５０ｎｍのＳｉＯ_２膜を形成した。第三の絶縁膜は、第二の絶縁膜と同様にシリコン酸窒化物や、アルミナ、ジルコニア、ハフニアなどの金属酸化物、及び、第一の絶縁膜１０３と同様なペロブスカイト構造を有するＳｒＴｉＯ_３であっても良く、更に樹脂であっても構わない。更に、外部接続用電極１１０ａ及び１１０ｂを形成するために、ＤＣスパッタ装置内に導入し、全面にＣｕ／ＴｉＮの順に積層成膜した。

次いで、フォトリソグラフィー法と電解めっき法とにより、Ｃｕめっき層を３μｍ厚みに形成し、厚膜の外部接続用電極１１０ａ及び１１０ｂを得た。なお、外部接続用電極１１０ｂの投影面の一部が外部接続用電極１０７ａを覆う構造とすることで、外部接続用電極１０７ａと１１０ｂとの間に挟持された第三の絶縁膜１０８を容量絶縁膜とする第三のキャパシタを、第二のキャパシタ上に形成できた。第一のキャパシタ、第二のキャパシタ、及び、第三のキャパシタを積層する構造とすることで、第一のキャパシタの容量追加や容量調整をすることが可能となった。また図２に示す従来技術の集積化受動素子よりも約７０％の面積を削減し、小型化することができた。

図５に示す第四の実施形態に係る集積化受動素子を作製し、第四の実施例とした。基材１０１上に、下部電極１０２、第一の絶縁膜１０３、及び、上部電極１０４を順次に積層成膜し、フォトリソグラフィー法によりそれぞれ所望のパターンを得て、第二の絶縁膜１０５、及び、外部接続用電極１０７ａ、１０７ｂを形成し、第三の絶縁膜１０８を形成するまでの工程は第三の実施例と同様とした。第三の実施例との相異点は、図５に示す本発明の第四の実施形態の断面図において、外部接続用電極１０７ａで囲まれた領域内に、第一の絶縁膜、上部電極、第二の絶縁膜、及び、外部接続用電極１０７ｂを含むことである。断面図のＡ−Ａ’における平面図でも、外部接続用電極１０７ａで囲まれた領域内に第一の絶縁膜及び上部電極が含まれる構造となっている。更にＢ−Ｂ’における平面図では、外部接続用電極１０７ａの投影面が上部電極の一部を覆う構造とした。これにより外部接続用電極１０７ａ、第二の絶縁膜１０５、及び、上部電極１０４からなる第二のキャパシタを有し、かつ外部接続用電極１０７ａと下部電極１０２とで第一の絶縁膜１０３、第二の絶縁膜１０５の大部分を覆うことで外部からの水分による絶縁体の劣化を抑制することができた。第一の絶縁膜１０３を容量絶縁膜とする第一のキャパシタ、及び、第二の絶縁膜を有する第二のキャパシタそれぞれの耐湿負荷試験において、いずれにおいても絶縁劣化を軽減することができた。第二の絶縁膜１０５、第三の絶縁膜１０８を樹脂とした場合であっても、それぞれのキャパシタでの絶縁劣化を軽減することができ、信頼性を高くする効果が得られた。

図６に示す第五の実施形態に係る集積化受動素子を作製し、第五の実施例とした。基本となる構成要素は本発明の第一の実施形態と同様である。外部接続用電極１０７ｂと１０７ｄを電気的に接続させ、また外部接続用電極１０７ａで囲まれた領域内には、第一の絶縁膜１０３、上部電極１０４、第二の絶縁膜１０５の一部、及び、外部接続用電極１０７ｂが含まれる。作製に際して、まず基材１０１上に、下部電極１０２、第一の絶縁膜１０３、上部電極１０４を順次に積層成膜し、フォトリソグラフィー法によりそれぞれ所望のパターンを得た。次いで、第二の絶縁膜１０５、外部接続用電極１０７ａと１０７ｂを形成し、更に導電体１０６を所望のパターンに形成した。この工程までは、第一の実施例と同様とした。第三の絶縁膜１０８として感光性の樹脂を用いた。フォトリソグラフィー法により所望の開口部を形成し、窒素雰囲気中で硬化させることで、所望のパターンを有する第三の絶縁膜１０８を得た。

次に、ＤＣスパッタ装置内に導入し、全面にＣｕ／Ｔｉの順に積層成膜した。膜厚は、Ｔｉ：５０ｎｍ、Ｃｕ：３００ｎｍとした。なお、Ｔｉに限らずＴｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｃｒのような密着性を有する材料でも良い。フォトリソグラフィー法により、外部接続用電極１０７ａ、１０７ｂを形成する箇所に開口パターンを形成し、このレジストをマスクとし、Ｃｕ／Ｔｉ積層膜を給電層とする電解めっき法により、Ｃｕめっき層を３μｍ厚みに形成した。連続して、Ｎｉめっき層を５μｍ厚みに、Ａｕストライクめっき層、Ａｕめっき層をそれぞれ１μｍ厚みに形成した。この積層しためっき層により、厚膜の外部接続用電極１０７ａ、１０７ｂを構成した。Ｃｕ、Ｎｉ及びＡｕめっき層を形成した後に、有機溶剤及び酸素プラズマ処理によりレジストを除去し、更に化学エッチング法によりＣｕ／Ｔｉシード層を除去した。

積層した厚膜めっき層からなる外部接続用電極を保護する目的で、カバー絶縁層１１５に感光性の樹脂を用いた。全面に樹脂を塗布し、乾燥、露光及び現像することで所望の開口部を形成した。次いで、窒素雰囲気中で熱処理することで、カバー絶縁層１１５を硬化させた。更にはんだボール１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃを搭載することで、図６に示す集積化受動素子内蔵多層配線基板が得られた。これによって、第一の絶縁膜１０３からなる第一のキャパシタと導電体１０６からなる抵抗体からなるフィルターが形成された。

導電体１０６の投影面が上部電極１０４の一部を覆い、且つ外部接続用電極１０７ａ、下部電極１０２、によって第一の絶縁膜１０３が囲まれる構造であるため、外部からの水分混入を抑制し、耐湿負荷試験による第一のキャパシタの絶縁劣化を軽減できた。集積化受動素子内蔵多層配線基板としても高い信頼性が得られた。更に従来技術に比べ約５０％の面積を削減できた。

図７に示す第六の実施形態に係る集積化受動素子を作製し、第六の実施例とした。基本となる構成要素は、本発明の第五の実施形態と同様である。外部接続用電極１０７ａなどを形成する工程でインダクタ１０９を形成し、次いで、配線１１０、絶縁膜１１１、配線１１２、絶縁膜１１３、配線１１４、カバー絶縁層１１５を順次に形成した。配線１１０、１１２、１１４は、電解めっき法によりパターンを形成した。また、絶縁膜１１１、１１３、及び、カバー絶縁層１１５には感光性樹脂を用い、露光、現像、及び、硬化により所望の開口部を形成した。これにより、第一の絶縁膜１０３からなる第一のキャパシタと、導電体１０６からなる抵抗体と、インダクタ１０９とからなるフィルターが形成された。

導電体１０６の投影面が上部電極１０４の一部を覆い、且つ外部接続用電極１０７ａ、下部電極１０２、によって第一の絶縁膜１０３が囲まれる構造であるため、外部からの水分混入を抑制し、耐湿負荷試験による第一のキャパシタの絶縁劣化を軽減でき、集積化受動素子内蔵多層配線基板としても高い信頼性が得られた。更に従来技術に比べ約３５％の面積を削減できた。

本発明は、半導体デバイス近傍に配置される集積化受動素子、及び、この集積化受動素子を内蔵した多層配線基板に好適に利用することができる。

本発明の第一の実施形態に係る集積化受動素子の断面図。 従来の集積化受動素子の断面図。 本発明の第二の実施形態に係る集積化受動素子の断面図。 本発明の第三の実施形態に係る集積化受動素子の断面図。 本発明の第四の実施形態に係る集積化受動素子の断面図及び平面図。 本発明の第五の実施形態に係る集積化受動素子内蔵多層配線基板の断面図。 本発明の第六の実施形態に係る集積化受動素子内蔵多層配線基板の断面図。

符号の説明

１０１： 基材
１０２： 下部電極
１０３： 第一の絶縁膜
１０４： 上部電極
１０５： 第二の絶縁膜
１０６： 導電体
１０７ａ： 第一の外部接続用電極
１０７ｂ： 第二の外部接続用電極
１０７ｃ： 第三の外部接続用電極
１０７ｄ： 第四の外部接続用電極
１０８： 第三の絶縁膜
１０９： インダクタ
１１０： 電極
１１１：再配線層
１１２、１１４： 配線
１１３： 絶縁膜
１１５： カバー絶縁層
１１６ａ〜１１６ｃ： はんだボール

Claims (17)

1. 基板上に順次に形成された下部電極、第一の絶縁膜、及び、上部電極から成る容量素子と、該容量素子を覆う第二の絶縁膜と、該第二の絶縁膜上に形成され、該第二の絶縁膜を貫通するプラグによって前記下部電極及び上部電極にそれぞれ接続される第一及び第二の導電体とを備える集積化受動素子であって、
   前記第一の導電体が、前記上部電極の少なくとも一部を覆う位置に形成されていることを特徴とする集積化受動素子。
2. 前記上部電極は、前記第一及び第二の導電体により全体が覆われている、請求項１に記載の集積化受動素子。
3. 前記第一の導電体と前記下部電極とを接続するプラグが前記上部電極の周囲を囲んで形成されている、請求項１に記載の集積化受動素子。
4. 基板上に順次に形成された下部電極、第一の絶縁膜、及び、上部電極から成る容量素子と、該容量素子を覆う第二の絶縁膜と、該第二の絶縁膜上に形成され、該第二の絶縁膜を貫通するプラグによって前記下部電極及び上部電極にそれぞれ接続される第一及び第二の導電体とを備える集積化受動素子であって、
   前記第一の導電体と前記下部電極とを接続するプラグが前記上部電極の周囲を囲んで形成されていることを特徴とする集積化受動素子。
5. 前記第二の導電体が、前記上部電極の少なくとも一部を覆う位置に形成されている、請求項４に記載の集積化受動素子。
6. 前記第一の導電体が、前記上部電極の少なくとも一部を覆う位置に形成されている、請求項４に記載の集積化受動素子。
7. 前記第一及び第二の導電体の一方が外部接続用電極を構成し、他方が抵抗体又は外部接続用電極を構成する、請求項１〜６の何れか一に記載の集積化受動素子。
8. 前記第一及び第二の導電体を覆う第三の絶縁膜と、該第三の絶縁膜上に形成され前記第一及び第二の導電体とそれぞれプラグを介して接続される第三及び第四の導電体を有する、請求項１〜６の何れか一に記載の集積化受動素子。
9. 前記第三及び第四の導電体が、それぞれはんだボールを搭載する外部接続用電極に接続される、請求項８に記載の集積化受動素子。
10. 前記導電体が金属、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物のいずれかを主成分として含む、請求項１〜９の何れか一に記載の集積化受動素子。
11. 前記第一及び第二の絶縁膜の少なくとも一方がペロブスカイト構造を有する酸化物からなる、請求項１〜１０の何れか一に記載の集積化受動素子。
12. 前記第二の絶縁膜が無機誘電体からなる、請求項１〜１１の何れか一に記載の集積化受動素子。
13. 前記第二の絶縁膜が樹脂材料からなる、請求項１〜１１の何れか一に記載の集積化受動素子。
14. 前記基板がシリコンからなる、請求項１〜１３の何れか一に記載の集積化受動素子。
15. 前記基板がガラス材料からなる、請求項１〜１３の何れか一に記載の集積化受動素子。
16. 前記基板が樹脂材料からなる、請求項１〜１３の何れか一に記載の集積化受動素子。
17. 請求項１〜１６の何れか一に記載の集積化受動素子を有することを特徴とする集積化受動素子内蔵多層配線基板。

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