JP2011077151A - 薄膜コンデンサ及び薄膜コンデンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 内部電極層と接続電極との電気的接続の安定性を向上させることが可能な薄膜コンデンサを提供する。
【解決手段】 薄膜コンデンサ１０は、下地電極１１上に積層された二つ以上の誘電体層１２と、誘電体層１２の間に積層され、積層方向から見て誘電体層から突出する突出部１３ａを有する内部電極層１３と、突出部１３ａに含まれる内部電極層の表面の少なくとも一部及び端面を介して内部電極層１３と電気的に接続する接続電極１４と、を備え、内部電極層１３の突出部１３ａの誘電体層に対する突出量Ｌと内部電極層１３の厚さｔとの比Ｌ／ｔが０．５〜１２０であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、薄膜コンデンサ及び薄膜コンデンサの製造方法に関する。

例えば特許文献１に記載される積層セラミックコンデンサのように、誘電体層と内部電極層とが交互に積層され多層をなす積層体を形成し、この積層体の両端部で内部電極層と外部電極とが接続される構成が知られている。

特開２００９−１５５１１８号公報

しかしながら、薄膜コンデンサの大容量化を実現すべく、特許文献１に記載される積層セラミックコンデンサの構成を薄膜コンデンサに適用しようとする場合には次のような問題が考えられる。薄膜コンデンサの場合、ダイシングなどでスリットを入れる、またはイオンミリングによりスリット、Ｖｉａ、スルーホールなどを形成するなどの手法により誘電体層の側面に内部電極層を露出させ、この露出部分を介して内部電極層と接続電極（外部電極）とが接続される。しかし、この方法では、膜厚の非常に薄い内部電極の端面部分のみが露出することになり、この端面部分のみで接続電極と接続することになるため、内部電極層と接続電極との接続状態が不安定になりやすい。この接続の不安定性は、製品の歩留まりの低下や信頼性の低下を招くことになる。

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、内部電極層と接続電極との電気的接続の安定性を向上させることが可能な薄膜コンデンサ及び薄膜コンデンサの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る薄膜コンデンサは、下地電極上に積層された二つ以上の誘電体層と、誘電体層の間に積層され、積層方向から見て誘電体層から突出する突出部を有する内部電極層と、突出部に含まれる内部電極層の表面の少なくとも一部及び端面を介して内部電極層と電気的に接続する接続電極と、を備え、内部電極層の突出部の誘電体層に対する突出量Ｌと内部電極層の厚さｔとの比Ｌ／ｔが０．５〜１２０であることを特徴とする。

同様に、上記課題を解決するために、本発明に係る薄膜コンデンサの製造方法は、下地電極上に誘電体層と内部電極層とが交互に積層された積層体を形成する工程と、内部電極層の端部が積層体の積層方向から見て誘電体層から突出するよう露出させ、突出部が形成されるようにウェットエッチングを施す工程と、ウェットエッチングを施し形成された突出部に含まれる内部電極層の表面の少なくとも一部及び端面を介して、内部電極層と電気的に接続するように端子電極を形成する工程と、を備え、ウェットエッチングを施す工程において、内部電極層の突出部の誘電体層に対する突出量Ｌと内部電極層の厚さtとの比Ｌ／ｔが０．５〜１２０となるようウェットエッチングを施して突出部を形成することを特徴とする。

このような薄膜コンデンサ及び薄膜コンデンサの製造方法によれば、内部電極層の突出部に含まれる内部電極層の表面の少なくとも一部及び端面を介して、内部電極層と接続電極とが接続するため、両者の接触面積を大きくすることができ、接続状態を安定させることができる。さらに、内部電極層の突出部の誘電体層に対する突出量Ｌと内部電極層の厚さｔとの比Ｌ／ｔが０．５〜１２０となるよう構成することで、突出部の突出量が接続電極と好適に接続できる適度な範囲に収まり、内部電極層と接続電極との接続状態をより一層安定させることができる。この結果、内部電極層と接続電極との電気的接続の安定性を向上させることが可能となる。そして、接続状態の安定性が向上すると、製品の歩留まりが良くなり、また、信頼性も向上する。

また、積層体を形成する工程の後、かつ、ウェットエッチングを施す工程の前に、内部電極層の端面を露出させる工程を備えるのが好適である。これにより、ウェットエッチング処理による誘電体層の侵食が一定となるため、内部電極層の突出部の突出量を一定にすることが可能となり、薄膜コンデンサの性能のばらつきを抑え、信頼性がより一層向上する。

本発明に係る薄膜コンデンサ及び薄膜コンデンサの製造方法によれば、内部電極層と接続電極との電気的接続の安定性を向上させることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る薄膜コンデンサの構造を示す概略断面図である。 本実施形態に係る薄膜コンデンサの製造方法を説明する図である。

以下、本発明の好適な実施形態について説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る薄膜コンデンサ１０の構造を示す概略断面図である。図１（ａ）に示すように、薄膜コンデンサ１０は、下地電極１１と、この下地電極１１の上に積層された二つ以上の誘電体層１２と、誘電体層の間に積層された内部電極層１３と、内部電極層１３と電気的に接続する接続電極１４と、表面保護膜としてのパッシベーション膜１５と、端子電極１６と、を備えて構成されている。

誘電体層１２と内部電極層１３とは交互に積層されて積層体を形成している。なお、図１では、誘電体層１２を６層、内部電極層１３を５層として、誘電体層１２と内部電極層１３との積層の状態を単純化して示しているが、本実施形態の薄膜コンデンサ１０では、誘電体層１２と内部電極層１３とが数百層にも及ぶ積層体を形成することできる。

また、図１（ｂ）に示すように、内部電極層１３は、積層方向から見て誘電体層１２から突出する突出部１３ａを有している。接続電極１４は、この内部電極層１３の突出部１３ａに含まれる内部電極層の表面及び端面を介して内部電極層１３と電気的に接続されている。そして、特に本実施形態では、内部電極層１３の突出部１３ａは次の条件を満たすように構成されている。すなわち、内部電極層１３の突出部１３ａの誘電体層１２に対する突出量をＬとし、内部電極層１３の厚さをｔとすると、これらの比Ｌ／ｔが次の条件式（１）を満たす。
０．５≦Ｌ／ｔ≦１２０ （１）
なお、突出部１３ａの突出量Ｌとは、突出部１３ａと接続電極１４とが接触している（接続されている）部分の最大長さをいう。

この条件式の下限値（０．５≦Ｌ／ｔ）に関しては、突出部１３aの突出量Lが内部電極層の厚さｔの半分より小さい場合には、内部電極層１３と端子電極１４との電気的な接続を安定させるのに十分な接続面積を確保できず、接続状態が不安定になるものと考えられる。また、この条件式の上限値（Ｌ／ｔ≦１２０）に関しては、突出部１３aの突出量Lが大きすぎると、端子電極１４を形成する際に、隣り合う内部電極層１３の突出部１３ａの間に端子電極材料が進入し難くなって、製造時の薬液が残留しやすくなる。そして、薬液の残渣に起因する湿度の侵入によって、製造された薄膜コンデンサの絶縁抵抗の劣化が生じる可能性が高くなり、信頼性が低下するものと考えられる。

なお、誘電体層１２および内部電極層１３の突出部１３ａと、接続電極１４との間には空隙が設けられていてもよい。すなわち、内部電極層１３と接続電極１４とが、突出部１３ａに含まれる内部電極層１３の表面（上面及び下面）の少なくとも一部及び端面を介して電気的に接続されていてもよい。薄膜コンデンサは製造時或いは使用時の加熱冷却サイクルにおける膨張・収縮により、電極部分の電気的接続が損なわれるおそれがあるところ、当該部分に空隙が存在する場合、その空隙が膨張・収縮を吸収するため、誘電体層１２および突出部１３ａと、接続電極１４との間の電気的接続の劣化を抑制することができる。そのため、本発明の効果をさらに高めることができる。

内部電極層１３の突出部１３ａは、積層方向から見て誘電体層１２から突出する方向が２方向のいずれかであり、一方は、下地電極側から１番目、３番目・・・の奇数番目の内部電極層１３の突出方向であり、他方は、下地電極側から２番目、４番目・・・の偶数番目の内部電極層１３の突出方向である。そして、これらの２方向によって、それぞれ一対の接続電極１４のいずれかと接続する。すなわち、接続電極１４の一方（図１（ａ）の１４ａ）は下地電極１１と、下方から２番目、４番目・・・の内部電極層１３と接続する。接続電極の他方（図１（ａ）の１４ｂ）は下方から１番目、３番目、５番目・・・の内部電極層１３と接続する。

下地電極１１は、例えば、Nｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、ＩｒＯ_２、ＲｕＯ_２、ＳｒＲｕＯ_３、およびＬａＮｉＯ_３の少なくともいずれか１つを含むように構成してもよい。下地電極１１の膜厚は５０〜２０００ｎｍであることが好ましい。また、下地電極１１と基板を同一の材料とすることも出来る。このような場合、低コスト化のため、安価なＮｉ、Ｃｕ、Ａｌ、などの卑金属またはこれらの合金を主成分としたもの、ステンレス鋼、インコネルが好ましく、特にＮｉ箔が好ましい。下地電極１１と基板を同一材料とした場合の厚さは５〜５００μｍであることが好ましい。本実施形態では、下地電極１１には、Ｎｉ箔を用いており、これは誘電体層１２を保持する保持部材としての機能と、下部電極としての機能と、誘電体層１２を形成する基体として機能と、を兼ね備えている。このように、本実施形態に係る下地電極１１は、金属箔などの基板と電極とを兼用する構成であることが好ましいが、Ｓｉやアルミナなどからなる基板と、金属膜からなる電極とを備える基板／電極膜構造を下地電極１１として用いてもよい。

誘電体層１２は、ＢＴすなわちチタン酸バリウムＢａＴｉＯ_３、ＢＳＴすなわちチタン酸バリウムストロンチウム（ＢａＳｒ）ＴｉＯ_３、ＳＴすなわちチタン酸ストロンチウムＳｒＴｉＯ_３、ＣＺすなわちジルコン酸カルシウムＣａＺｒＯ_３、（ＢａＳｒ）（ＴｉＺｒ）Ｏ_３、ＢａＴｉＺｒＯ_３などのペロブスカイト型酸化物が好適に用いられる。誘電体薄膜１２は、これらの酸化物のうち一つ以上を含んでいてもよい。誘電体層１２の膜厚は、１００〜８００ｎｍ程度が好ましい。

内部電極層１３は、低コスト化のため、安価な卑金属材料を主成分として構成されるのが好ましく、特にＮｉを主成分として構成されるのが好ましい。なお、内部電極層１３は、例えば、Nｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、ＩｒＯ_２、ＲｕＯ_２、ＳｒＲｕＯ_３、およびＬａＮｉＯ_３の少なくともいずれか１つを含むように構成してもよい。内部電極層１３の厚みは、１００〜８００ｎｍ程度が好ましい。

接続電極１４は低コスト化のため、安価な卑金属材料を主成分として構成されるのが好ましく、特にＣｕを主成分として構成されるのが好ましい。なお、接続電極１４は、たとえばＮｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕの少なくともいずれか１つを含むように構成してもよい。

パシベーション膜１５は、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、ベンゾシクロブテン系樹脂、ポリアミド系樹脂、フッ素系樹脂などの絶縁樹脂などにより構成してもよい。

端子電極１６は、Ｃｕを主成分として構成されるのが好ましい。なお、端子電極の外層にＡｕ、Ｓｎ、Ｐｄなどの層を設けてもよい。

次に、図２を参照して、薄膜コンデンサ１０の製造方法を説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、下地電極１１上に誘電体層１２の成膜及び内部電極層１３のマスク成膜を交互に繰り返し、積層体を形成する。このとき、内部電極層１３は、１層ごとに、所定の振幅で成膜位置が交互に移動するようにマスク成膜を行う。

次に、図２（ｂ）に示すように、内部電極層１３の突出部１３ａが露出するように、積層体における下地電極１１の反対側に位置する表面から下地電極１１方向にウェットエッチングを施し、開口部２１を形成する。このとき、誘電体はエッチングするが電極層をエッチングしないエッチング液（エッチャント）を用いる。具体的には、例えば誘電体膜がＢＴ、ＢＳＴ、ＳＴの場合、好ましいエッチャントは塩酸＋フッ化アンモニウム水溶液である。また、誘電体膜がＣＺの場合、好ましいエッチャントは硫酸＋フッ化アンモニウム水溶液である。ここで、ウェットエッチングにより開口部２１に露出された突出部１３ａの突出量Ｌとは、突出部１３ａの開口部２１における最大長さのことをいうものとする。

なお、ウェットエッチングの前に、例えばダイシングなどでスリットを入れる、またはイオンミリングによりスリット、Ｖｉａ、スルーホールなどを形成して、内部電極層の端面を露出させてもよい。これにより、ウェットエッチング処理による誘電体層の侵食が一定となるため、内部電極層の突出部の突出量を一定にすることが可能となり、薄膜コンデンサの性能のばらつきを抑え、信頼性がより一層向上する。また、開口部は穴状ではなく外周スリットでもよい。

次に、図２（ｃ）に示すように、開口部２１に接続層を成膜する。例えば、スパッタリングにより、開口部の内壁に沿って内部電極層１３の突出部１３ａの表面及び端面の全体に亘り、空隙が生じないように成膜する。

そして、接続電極１４をパターニングにより成形し（図２（ｄ））、必要に応じてパシベーション膜１５を形成し（図２（ｅ））、さらにシード成膜及びめっき処理を行って接続電極１４と接続するように端子電極１６を形成する（図２（ｆ））。

このように、本実施形態に係る薄膜コンデンサ１０及び薄膜コンデンサの製造方法によれば、内部電極層１３の突出部１３ａに含まれる内部電極層１３の表面の少なくとも一部及び端面を介して、内部電極層１３と接続電極１４とが接続するため、両者の接触面積を大きくすることができ、接続状態を安定させることができる。さらに、内部電極層１３の突出部１３ａの誘電体層１２に対する突出量Ｌと内部電極層の厚さｔとの比Ｌ／ｔが０．５〜１２０となるよう構成することで、突出部１３ａの突出量Ｌが接続電極１４と好適に接続できる適度な範囲に収まり、内部電極層１３と接続電極１４との接続状態をより一層安定させることができる。この結果、内部電極層１３と接続電極１４との電気的接続を向上させることが可能となる。そして、接続状態が安定すると、製品の歩留まりが良くなり、また、信頼性も向上する。

以下、実施例を挙げて本発明についてより具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
Ｎｉ箔の下地電極１１上に誘電体層１２、及びパターニングされた内部電極層１３を交互にスパッタなどの方法により積層した。誘電体層１２を１１層積層した。これによりＮｉ基板１１及び、内部電極層１３に挟まれる誘電体層１２は、１０層となる。１層の誘電体層１２で約１０５００ｐF（１０．５ｎＦ）となるよう電極形状、誘電体厚みを設定した。

誘電体層１２及び内部電極層１３を積層した後、熱処理を行った集合体上に内部電極との接続を行える位置に開口部２１を有するレジスト層を形成した。その後、開口部２１の誘電体１２をエッチング液にてエッチングした。このときエッチング液は、誘電体層１２はエッチングするが内部電極層１３をエッチングしないエッチング液を選択した。具体的には、上述のように、例えば誘電体膜１２がＢＴ、ＢＳＴ、ＳＴの場合、塩酸＋フッ化アンモニウム水溶液が好ましく、また、誘電体膜がＣＺの場合、硫酸＋フッ化アンモニウム水溶液が好ましい。このエッチングにより、開口部２１の誘電体１２は除去され、かつ内部電極層１３の端部は、開口部２１の誘電体１２の側壁から突出する状態になり、突出部１３ａが形成される。その後、レジスト層を剥離した後、前記開口部に接続用導体層（端子電極１４）を形成した。さらに必要に応じてパシベーション層１５を形成し、さらに端子電極１６を形成した。

このような手法で２０個の薄膜コンデンサを作製し、これらの薄膜コンデンサについて静電容量を測定し、その平均値及び標準偏差を算出した。

（実施例２）
実施例１と同様に誘電体層１２及び内部電極層１３を積層しさらに開口部２１を設けたレジスト層を形成した後、イオンミリングにて開口部２１を除去した。その後、エッチング液にて開口部２１の誘電体側壁をエッチングした。実施例１と同様にコンデンサの容量を測定し、その平均値及び標準偏差を算出した。

（実施例３）
実施例１と同様の積層体を作製し、内部電極層１３を接続するための開口部２１に位置するところにダイシングなどの方法によってスリットを形成した。その後誘電体のエッチング液にて内部電極層１３の端面部分の誘電体をエッチングした。実施例１と同様にコンデンサの容量を測定し、その平均値及び標準偏差を算出した。

（比較例）
実施例１と同様に誘電体層１２及び内部電極層１３を積層しさらに開口部２１を設けたレジスト層を形成した後、イオンミリングにて開口部２１を除去した。その後、開口部２１の側壁において誘電体のエッチング処理を行わずに、実施例１と同様に接続用導体層（端子電極１４）を形成し、コンデンサの容量を測定し、その平均値及び標準偏差を算出した。

上述の実施例１〜３及び比較例について、静電容量の平均値及び標準偏差を表１に示す。

表１に示すように、開口部２１の誘電体をエッチング処理し内部電極層１３を開口部２１に突出させて突出部１３ａを形成し、この突出部１３ａの全体と電気的に接触するように接続電極１４を形成した実施例１〜３は、設定値（１層当たり１０．５ｎＦ。全体で１０５ｎＦ）とほぼ同様の静電容量をもつことが確認された。一方、内部電極層１３に突出部１３ａを設けず、接続電極１４が内部電極層１３の端面のみと接続する比較例は、上記設定値より小さい静電容量となることが確認された。また、標準偏差も実施例１〜３と比較して４倍程度大きくなることが確認された。

すなわち、実施例の薄膜コンデンサは、比較例に比べて十分な静電容量をもち、静電容量のばらつきも少なくすることができ、内部電極層と接続電極との安定した電気的接続が可能となることが確認された。

次に、内部電極層１３の突出部１３ａの突出量による影響について説明する。

内部電極層１３の突出部１３ａの突出量Ｌと、内部電極層１３の厚さｔとの比Ｌ／ｔが、−０．２４、０、０．４５、０．５、０．５２、１．０１、１．９４、５、１２、２５、５２、８０、１０５、１２０、１２３となる薄膜コンデンサを、それぞれ２００個ずつ作製した。作製方法としては、Ｌ／ｔ＝０については、比較例に示した方法を用いて作製した。Ｌ／ｔ＝−０．２４については、比較例に示したイオンリミングによる方法に加えて内部電極を湿式エッチングにより開口部２１の誘電体側壁より凹ませることにより作製した。その他については、実施例１〜３に示した方法を適宜用いて作製した。

作製した薄膜コンデンサについて、接続電極１４を形成した後の静電容量を測定し、Ｌ／ｔの値が同一の２００個ごとに平均値を算出した。また、熱衝撃試験（−４５℃〜＋８５℃、５００回）を行い、Ｌ／ｔの値が同一の２００個ごとに、試験後のコンデンサの不良率を測定した（８％以上の容量変化したものを不良とした）。さらに、耐湿負荷試験（６０℃、９０％ＲＨ、２０Ｖｄｃ印加、２００Ｈｒ）を行い、Ｌ／ｔの値が同一の２００個ごとに、試験後のコンデンサの不良率を測定した（絶縁抵抗値が１ＭΩ以下に低下したものを不良とした）。

上述の測定結果について、Ｌ／ｔの各値ごとの静電容量平均値（ｎＦ）、熱衝撃試験後の不良率（％）、及び耐湿負荷試験後の不良率（％）を表２に示す。

表２に示すように、Ｌ／ｔが０．５以上で静電容量が設定値（１層当たり１０．５ｎＦ。全体で１０５ｎＦ）とほぼ同様の所望の値となり、また、熱衝撃試験後の不良率が０％となる。すなわち、Ｌ／ｔが０．５未満では、設定値に対して十分な静電容量を得ることができず、また、熱衝撃試験後に不良が発生しており、内部電極層１３と接続導体（接続電極１４）との接続状態の信頼性が低下するという不具合が発生している。

一方、Ｌ／ｔが１２０を越えると、静電容量は十分あるものの、耐湿負荷試験により不良が発生している。この原因は、突出部１３ａの突出量が大きすぎて、接続電極１４を形成する際に内部電極層１３と接続導体（接続電極１４）との接続部分に空隙が大きく残留したことによる製造時の薬液の残渣が、湿度の侵入により絶縁抵抗の劣化という現象を引き起こしたと考えられる。

このように、０．５≦Ｌ／ｔ≦１２０を満たす薄膜コンデンサは、設定値に対して十分な静電容量をもち、熱衝撃試験及び耐湿負荷試験の後にも不良を発生することなく、内部電極層１３と接続電極１４との安定した電気的接続が行われ、信頼性が高いことが確認された。

１０…薄膜コンデンサ、１１…下地電極、１２…誘電体層、１３…内部電極層、１３ａ…突出部、１４…接続電極、２１…開口部。

Claims (3)

1. 下地電極上に積層された二つ以上の誘電体層と、
   前記誘電体層の間に積層され、積層方向から見て前記誘電体層から突出する突出部を有する内部電極層と、
   前記突出部に含まれる前記内部電極層の表面の少なくとも一部及び端面を介して前記内部電極層と電気的に接続する接続電極と、を備え、
   前記内部電極層の突出部の前記誘電体層に対する突出量Ｌと前記内部電極層の厚さｔとの比Ｌ／ｔが０．５〜１２０であることを特徴とする薄膜コンデンサ。
2. 下地電極上に誘電体層と内部電極層とが交互に積層された積層体を形成する工程と、
   前記内部電極層の端部が前記積層体の積層方向から見て前記誘電体層から突出するよう露出させ、突出部が形成されるようにウェットエッチングを施す工程と、
   前記ウェットエッチングを施し形成された前記突出部に含まれる前記内部電極層の表面の少なくとも一部及び端面を介して、前記内部電極層と電気的に接続するように端子電極を形成する工程と、
   を備え、
   前記ウェットエッチングを施す工程において、前記内部電極層の突出部の前記誘電体層に対する突出量Ｌと前記内部電極層の厚さｔとの比Ｌ／ｔが０．５〜１２０となるようウェットエッチングを施して前記突出部を形成することを特徴とする薄膜コンデンサの製造方法。
3. 前記積層体を形成する工程の後、かつ、前記ウェットエッチングを施す工程の前に、前記内部電極層の端面を露出させる工程を備える、請求項２に記載の薄膜コンデンサの製造方法。
   
   
   
   
   
   
   

Images