JP2016195161A - 薄膜キャパシタ - Google Patents

Abstract

【課題】 損失が少なく安定性が高い薄膜キャパシタを提供する。【解決手段】 下部電極４と上部電極６との間に、誘電体薄膜５を介在させてなる薄膜キャパシタにおいて、下部電極に設けられる第１の端子８ｂと、上部電極６に設けられる第２の端子８ａと、を備え、下部電極４は、凹凸構造を有している。この凹凸構造の凸部４ｂの稜線は、第１の端子から第２の端子に向かう方向（Ｘ軸方向）に沿って延びている。この場合、Ｘ軸方向の等価直列抵抗（ＥＳＲ）が小さくなり、したがって、薄膜キャパシタの損失が少なく、安定性が高くなる。【選択図】図９

Description

本発明は、縦断面が凹凸構造を有する薄膜キャパシタに関するものである。

電子部品としての薄膜キャパシタは、例えば特許文献１に記載されている。また、トレンチキャパシタは、半導体集積化技術において、単位面積当たりの表面積が増加するように、立体的な構造を有しており、メモリを構成するキャパシタの高容量化を達成する構造として考案された（特許文献２参照）。また、このような立体的な構造を、メモリ以外の電子部品に応用しようとする試みもある（特許文献３）。

特開２００２−２６２６６号公報 米国特許６，７４０，９２２号明細書 特開平６−３２５９７０号公報

しかしながら、電子部品として凹凸構造を有することで小型化した薄膜キャパシタにおいて、損失が発生したり、不安定になる場合がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、損失が少なく安定性が高い薄膜キャパシタを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、第１の薄膜キャパシタは、基板と、前記基板の主表面上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に形成された下部電極と、前記下部電極を被覆する誘電体薄膜と、前記誘電体薄膜上に形成された上部電極と、前記下部電極に設けられる第１の端子と、前記上部電極に設けられる第２の端子と、を備え、ＸＹＺ三次元直交座標系を設定し、前記主表面をＸＹ平面とし、前記第１の端子と前記第２の端子とを結ぶ方向をＸ軸とした場合、前記下部電極は、凹凸構造を有し、この凹凸構造の凸部の頂面の長手方向は、Ｘ軸方向に沿っていることを特徴とする。

この薄膜キャパシタによれば、下部電極が凹凸構造を有しているため、単位面積当たりの容量を増加させることができる。第１の端子と、第２の端子との間にバイアス電圧が印加されると、薄膜キャパシタに電荷が蓄積される。印加電圧が交流電圧であれば、交流電流が、これらの端子間を流れる。ここで、薄膜キャパシタの等価直列抵抗（ＥＳＲ：Equivalent Series Resistance）について考える。なお、ＥＳＲは、インピーダンスＺと等価リアクタンスＸを用いれば、Ｚ^２−Ｘ^２の平方根で与えられる。

ＥＳＲは、抵抗長が長くなれば増加するし、短い場合は小さくなるが、ＥＳＲが大きくなると、抵抗に基づく電力の損失が発生し、回路動作が不安定になる場合がある。したがって、ＥＳＲを低くすることが好ましい。ＥＳＲが低くなると、薄膜キャパシタのＱ値は高くなる。

この薄膜キャパシタでは、この凹凸構造の凸部の頂面の長手方向は、Ｘ軸方向（端子間を結ぶ方向）に沿っている。この構造は、頂面の長手方向が、Ｙ軸に沿って延びている場合よりも、ＥＳＲが低くなる。したがって、この薄膜キャパシタによれば、ＥＳＲが低くなり、損失を低減し、動作を安定させることが可能となる。

第２の薄膜キャパシタにおいては、前記下部電極の前記凸部は、基端部から先端部に向かうに従って、Ｙ軸方向の幅が狭くなっていることを特徴とする。

この場合、インピーダンスが低下し、ＥＳＲも低下する。この原因は必ずしも明らかではないが、前記下部電極内の相互インダクタンスが低下するためと考えられる。頂面の長手方向がＸ軸に沿って延びている構造は、複数の信号線を並列に置くのに等しい。また、本発明の薄膜キャパシタの前記下部電極に印加された高周波信号は、前記凸部の頂面エッジに集中しやすい。このため、前記下部電極には、各々の頂面エッジに集中した信号同士の相互インダクタンスが生じる。基端部から先端部に向かうに従ってＹ軸方向の幅が狭くなる構造であれば、一の凸部と他の凸部との頂面エッジ間隔は広くなる。同時に頂面エッジの確度が緩やかになって信号の集中が緩和される。このため下部電極の複数の凸部の間に生じる相互インダクタンスが低下する。したがって、更に、損失を低減し、動作を安定させることが可能となる。

第３の薄膜キャパシタにおいては前記下部電極の前記凸部の前記基端部のＹ軸方向幅Ｗ１と、前記下部電極の前記凸部の前記先端部のＹ軸方向幅Ｗ２との比率をＲＷ＝Ｗ１／Ｗ２とした場合、比率ＲＷは、以下の関係式：１．２≦ＲＷ≦１．９を満たすことを特徴とする。

ＲＷが１．２よりも小さい場合、前記凸部の頂面エッジ部分における高周波信号の集中が過大となり下部電極の凸部間で相互インピーダンスを低下させることが困難となるあるため、インピーダンスが高くなり、電極表面の電流が流れにくくなり、ＥＳＲの低下に改善の余地がある。ＲＷが１．９よりも大きい場合、凸部の中では信号の集中が緩和されるものの、一の凸部から他の凸部への信号伝搬が生じる傾向がある。このような横方向への信号伝搬に伴ってインピーダンスが発生するため、これもＥＳＲの低下に改善の余地がある。

本発明の薄膜キャパシタによれば、損失が少なく安定性を高くすることが可能である。

実施形態に係る薄膜キャパシタの縦断面構成（ＸＺ平面）を示す図である。 薄膜キャパシタの製造工程を説明するための断面構成（ＸＺ平面）を示す図である。 様々な下部電極及びダミー電極の平面図である。 様々な上部電極及び下部コンタクト電極の平面図である。 薄膜キャパシタの分解斜視図である。 変形した実施形態に係る薄膜キャパシタの縦断面構成を示す図である。 物質のパラメータを示す図表である。 実施形態に係る薄膜キャパシタの縦断面構成（ＹＺ平面）を示す図である。 比較例に係る（Ａ）下部電極及びダミー電極の平面図と、（Ｂ）上部電極及び下部コンタクト電極の平面図である。 下部電極の凸部のＹＺ平面における縦断面構造（上部電極の構造と同じ）をテーパ形状にした例を示す図である。

以下、実施の形態に係る薄膜キャパシタについて説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。また、ＸＹＺ三次元直交座標系を設定し、基板の厚み方向をＺ軸方向とする。

図１は、実施形態に係る薄膜キャパシタの縦断面構成を示す図である。なお、図５は、薄膜キャパシタの分解斜視図であるが、構造を明瞭に説明するため、下地層や保護膜などの図１における一部の記載を省略している。以下の説明においては、図１及び図５を適宜参照する。

この薄膜キャパシタは、基板１と、基板１の主表面（ＸＹ平面）上に形成された絶縁層２（応力調整層２）と、応力調整層２上に下地層３を介して形成された下部電極４と、下部電極４を被覆する誘電体薄膜５と、誘電体薄膜５上に形成された上部電極６とを備えている。

薄膜キャパシタの主要部は、下部電極４と、上部電極６と、これらの間に位置する誘電体薄膜５によって構成されている。

下部電極４は、基板１の主表面と平行に延びた共通電極部分４ａと、共通電極部分４ａから、基板１から離れる方向に突出して延びた複数の凸部４ｂとを備えている。なお、この凹凸構造の凸部４ｂの頂面の長手方向は、Ｘ軸方向に沿っており、凹凸構造は、図８に示すように、ＹＺ断面内において観察される。同様に、上部電極６は、基板１の主表面と平行に延びた共通電極部分６ａと、共通電極部分６ａから、基板１に近づく方向に突出して延びた複数の凸部６ｂとを備えている。単一の凸部の構造に関しては、上部電極６の凸部６ｂの構造は、ＸＹ平面に対して下部電極４の凸部４ｂと、鏡像関係の構造であり、且つ、互いの凸部の位置が、互いの凹部内に位置するように、Ｙ軸方向にずれている。したがって、上部電極６の凸部６ｂの頂面の長手方向は、Ｘ軸方向に沿っている（図８参照）。
また、上部電極６は、外部端子との接続電極が接触するためのコンタクト部６ｃを有している。

図８に示すように、下部電極４は、基板１の厚み方向に沿った縦断面（ＹＺ面）が、凹凸構造を有しており、櫛歯形状を有している。同様に、上部電極６は、基板１の厚み方向に沿った縦断面（ＹＺ面）が、凹凸構造を有し、櫛歯形状を有している。下部電極４の凸部４ｂ間の隙間に、上部電極６の下部電極側へ突出した凸部６ｂが位置し、櫛歯が対向して噛み合うような構造になっているこの構造は、縦断面においては、トレンチ構造であり、単位面積当たりの容量を増加させている。

この薄膜キャパシタは、上部電極６を被覆する保護膜７と、応力調整層２上に形成されたダミー電極４Ｄと、下部電極４の共通電極部分４ａ上に形成され、これに接触した下部コンタクト電極６Ｄとを備えている。ダミー電極４Ｄは、下部電極の共通電極部分４ａと同時に形成され、下部コンタクト電極６Ｄは、上部電極６と同時に形成される。

薄膜キャパシタの図面左側の部分において、ダミー電極４Ｄ上には、誘電体薄膜５、上部電極６のコンタクト部６ｃ、及び、第２の端子８ａ（接続電極）が位置している。一方、薄膜キャパシタの図面右側部分において、下部電極４の共通電極部分４ａ上には、誘電体薄膜５に設けられた開口を介して、共通電極部分４ａに接触した下部コンタクト電極６Ｄ、及び、第１の端子８ｂ（接続電極）が位置している。ダミー電極４Ｄは、下部電極４の共通電極部分４ａと同じ厚みである。

また、保護膜７に設けられたコンタクトホールＨａ内に、第２の端子８ａは位置しており、保護膜７に設けられたコンタクトホールＨｂ、第１の端子８ｂは位置している。

この構造の場合、ダミー電極４Ｄは、下部電極４の共通電極部分４ａと同じ厚みであるため、第２の端子８ａと第１の端子８ｂの厚み方向の高さを概ね等しくすることが可能であり、フラットな構造の薄膜キャパシタを形成することができる。

第２の端子８ａ上には、コンタクト電極及び／又はアンダーバンプメタル９ａが接触して位置しており、第１の端子８ｂ上には、コンタクト電極及び／又はアンダーバンプメタル９ｂが接触して位置している。これえええらのアンダーバンプメタル９ａ，９ｂ上にはバンプ１０ａ，１０ｂがそれぞれ配置される。

図２は、薄膜キャパシタの製造工程を説明するための図である。

まず、図２（Ａ）のように、基板１を用意する。基板材料としては、絶縁体や半導体を用いることができるが、本例では、加工と処理の容易性に鑑みて、基板材料としてＳｉを用いる。

次に、図２（Ｂ）のように、基板１上に応力調整層２を形成する。形成法には、材料に応じて、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ（化学的気相成長）法などがある。本例では、応力調整層２として、シリコン窒化物（ＳｉＮｘ）（ｘは適当な自然数であり、主としてＳｉ_３Ｎ_４など）を用いるので、形成法としてはシリコン窒化物をターゲットとするスパッタ法を用いる。

しかる後、図２（Ｃ）のように、応力調整層２上に下地層３を形成し、続いて、応力調整層２上に、下部電極の初期の共通電極部分４ａを形成する。これらの形成法には、スパッタ法、蒸着法やメッキ法などがある。下地層３及び初期の共通電極部分４ａ（下部電極）は、共に、銅（Ｃｕ）を主成分（原子百分率が５０％以上）として含有しており、必要に応じて、下地層３にはＣｒなどの接着強度を高める材料を混入することができる。

次に、図２（Ｄ）のように、初期の共通電極部分４ａ及び下地層３をフォトリソグラフィ―により、パターニングし、一部分を本体部分から分離して、これをダミー電極４Ｄとする。すなわち、エッチングをして除去する部分が開口したマスクを初期の共通電極部分４ａ上に形成し、マスクを介してエッチングをした後、当該マスクを除去する。このエッチングには、ウエットエッチングの他、Ａｒミリング法、又は、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法などのドライエッチング法を用いることができる。銅のウエットエッチングには、過酸化水素水などを用いることができる。

次に、図２（Ｅ）のように、複数の凸部４ｂからなる櫛歯の部分を共通電極部分４ａ上に形成する。複数の凸部４ｂはフォトリソグラフィ―によりパターニングする。すなわち、凸部４ｂとなるメッキ層を成長させる部分が開口したマスクを共通電極部分４ａ上に形成し、このマスクの開口内に凸部４ｂを成長させた後、当該マスクを除去する。或いは、凸部４ｂとなるメッキ層を共通電極部分４ａ上に形成し、共通電極部分４ａ上にマスクを形成し、マスクの開口をエッチングすることで、凸部４ｂを残留させ、しかる後、当該マスクを除去する。なお、凸部４ｂは、エッチングにより、角部を丸くしたり、テーパ形状となる処理を行ってもよい。

次に、図２（Ｆ）のように、下部電極４上及びダミー電極４Ｄ上に誘電体薄膜５を形成する。本例の誘電体薄膜５は、Ａｌ_２Ｏ_３であるが、ＭｇＯやＳｉＯ_２などの他の誘電体を用いてもよい。誘電体薄膜５の形成法には、スパッタ法や、ＣＶＤ法、或いはＡＬＤ（原子層堆積）法が挙げられる。例えば、アルミナをターゲットとするスパッタ法を用いることができるが、本例では、Ａｌ原料であるＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）と、Ｏ原料であるＨ_２Ｏを交互に基板表面上に供給するＡＬＤ法を用いる。

次に、図２（Ｇ）のように、誘電体薄膜５の一部分に、フォトリソグラフィ―技術を用いて、コンタクトホールＨを形成する。形成には、ドライエッチング又ウエットエッチンンを用いることが可能である。ドライエッチングとしてＡｒミリングを用いることも可能である。

しかる後、図２（Ｈ）のように、フォトグラフィー技術を用いて、誘電体薄膜上にマスクを形成し、このマスクの開口を介して、上部電極６及び下部コンタクト電極６Ｄを誘電体薄膜５上に同時に形成する。誘電体薄膜５の一部分はコンタクトホールによって開口しているので、下部電極４の一部は、下部コンタクト電極６Ｄに接続され、上部電極６の残余の部分は、下部電極及び誘電体薄膜と共に、キャパシタの本体部分を形成する。形成においては、スパッタ法、蒸着法又はメッキ法を用いることができる。上部電極６は、銅（Ｃｕ）を主成分（原子百分率が５０％以上）として含有している。

次に、図２（Ｉ）のように、全体を保護膜７で被覆し、フォトグラフィー技術を用いて、保護膜７上にマスクを形成し、マスクに２か所の開口を作製し、これらの開口内をエッチングすることで、コンタクトホールＨａ及びＨｂを形成する。保護膜７は絶縁材料であればよいが、本例では樹脂材料（ポリイミド）を採用する。形成にはスピンコータ等による塗布法を用いることができる。次に、これらのコンタクトホール内に、第２の端子８ａ及び第１の端子８ｂを埋め込む。第２の端子８ａ及び第１の端子８ｂの材料が銅（Ｃｕ）を主成分とする場合、これらの形成法には、蒸着法、スパッタ法又はメッキ法などを用いることができる。

第２の端子８ａ及び第１の端子８ｂ上に、導電性のパッドとなるアンダーバンプメタル９ａ及びアンダーバンプメタル９ｂを設ける。これらはコンタクト電極として機能させることもできるし、異なる材料を用いて、コンタクト電極上に更にアンダーバンプメタルを設けることができる。アンダーバンプメタル９ａ，９ｂ上には、バンプ１０ａ，１０ｂがそれぞれ配置される。アンダーバンプメタル又はコンタクト電極の材料としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕを用いることができる。これらは各材料毎に、積層したり、混合して用いることができる。好適には、Ｃｕ上にＮｉ及びＡｕのメッキを施すことができる。

なお、下部電極４の構造としては、縦断面が凹凸構造を有するものであれば、様々なものが考えられる。また、上述の薄膜キャパシタは、単一のウェハ上に複数形成することができ、個別又は所望のグループごとにダイシングして分離して使用できる。

図３は、様々な下部電極４及びダミー電極４Ｄの平面図である。なお、図１におけるキャパシタの出力取り出し電極（バンプ１０ａ，１０ｂ）は、Ｘ軸方向の離間している。

図３（Ａ）の構造の場合、下部電極４は、＋Ｚ軸方向に向かって突出し、頂面の長手方向がＸ軸方向に沿って延びた複数の凸部４ｂを有している。凸部４ｂの間は凹溝が形成される。凹溝の長手方向もＸ軸方向である。ベースとなる共通電極部分４ａは、おおむね長方形である。また、ダミー電極４Ｄは、共通電極部分４ａからは離間している。

図３（Ｂ）の構造の場合、下部電極４は、＋Ｚ軸方向に向かって突出し、頂面の長手方向がＸ軸方向に沿って延びた複数の凸部４ｂを有しているが、複数の凸部４ｂは、Ｙ軸方向に沿って２列に整列するように分離している。なお、分離とは、共通電極部分からの凸部の高さ（凹部の底面からの高さ）の５０％以下の高さに、上記の列間の隙間に位置する下部電極の表面位置が低下していることを意味することとする。本例の場合、凸部４ｂの列間の隙間（Ｙ軸方向に沿った隙間）の表面位置は、０％（下部電極の凹部の底面の高さ）である。凸部４ｂの間は凹溝が形成される。凹溝の長手方向もＸ軸方向であるが、上記凸部列間の隙間も隣接する凸部４ｂをＹ軸方向から見ると、凹部を形成している。なお、ベースとなる共通電極部分４ａは、おおむね長方形である。また、ダミー電極４Ｄは、共通電極部分４ａからは離間している。この構造の場合、仮に下部電極４に熱膨張が生じたとしても、凸部４ｂの長手方向への膨張収縮が共通電極部分４ａの全体には及ばない。そのため誘電体薄膜５が破壊されにくくなるという利点がある。

図３（Ｃ）の構造の場合、下部電極４は、＋Ｚ軸方向に向かって突出し、頂面の長手方向がＸ軸方向に沿って延びた複数の凸部４ｂを有し、複数の凸部４ｂが、Ｙ軸方向に沿って２列に整列するように分離している点は、図３（Ｂ）の場合と同一である。図３（Ｃ）の構造では、上記凸部列間の隙間において、頂面がＹ軸方向に沿って延びた複数の凸部４ｂが別途、位置している点のみが、図３（Ｂ）の構造と異なる。この構造の場合、同一のキャパシタ面内に、インピーダンス乃至容量が急激に変化する領域を形成できるため、所謂ＥＢＧ素子と同様の周波数選択性をキャパシタに付与できるという利点がある。

図４は、様々な上部電極及び下部コンタクト電極の平面図である。

図４（Ａ）の構造の場合、上部電極６は、−Ｚ軸方向に向かって突出し、頂面の長手方向がＸ軸方向に沿って延びた複数の凸部６ｂを有しており、これらは凸部４ｂの間に位置している。凸部６ｂの間は＋Ｚ軸方向に窪んだ凹溝が形成され、凸部４ｂを収容している。ベースとなる共通電極部分６ａは、おおむね長方形であるが、コンタクト部６ｃは共通電極部分６ａの一端から−Ｘ軸方向に延びており、下部コンタクト電極６Ｄは、共通電極部分６ａからは離間している。

図４（Ｂ）の構造の場合、上部電極６は、−Ｚ軸方向に向かって突出し、頂面の長手方向がＸ軸方向に沿って延びた複数の凸部６ｂを有しており、これらは凸部４ｂの間に位置している。また、下部電極と同様に、上部電極の凸部６ｂは、Ｙ軸方向に沿って整列した列を構成しており、複数の列（２列）を構成している。凸部６ｂの間は＋Ｚ軸方向に窪んだ凹溝が形成され、凸部４ｂを収容している。ベースとなる共通電極部分６ａは、おおむね長方形であるが、コンタクト部６ｃは共通電極部分６ａの一端から−Ｘ軸方向に延びており、下部コンタクト電極６Ｄは、共通電極部分６ａからは離間している。

図４（Ｃ）の構造の場合、上部電極￥６は、-Ｚ軸方向に向かって突出し、頂面の長手方向がＸ軸方向に沿って延びた複数の凸部６ｂを有し、複数の凸部６ｂが、Ｙ軸方向に沿って２列に整列するように分離している点は、図４（Ｂ）の場合と同一である。図４（Ｃ）の構造では、上記凸部列間の隙間において、頂面がＹ軸方向に沿って延びた複数の凸部６ｂが別途、位置している点のみが、図４（Ｂ）の構造と異なる。

図６は、変形した実施形態に係る薄膜キャパシタの縦断面構成を示す図である。

図６の示した構造は、図１に示したものと比較して、上部電極６の厚みが厚くなり、第１接続電極を兼用することで、保護膜７内に形成される上部電極６上に、直接、コンタクト電極及び／又はアンダーバンプメタル９ａを形成した構造である。その他の構造は、図１に示したものと同一である。

次に、上述の各要素の材料について説明する。

下部電極４は、主成分としてＣｕを含んでいる。なお、下部電極４は、銅が１００(atm％)であるとする。上部電極６も、主成分としてＣｕを含んでいる。これらは同一の材料から構成することもできるし、異なる材料から構成することもできる。本例では、同一の材料であり、同一の物性を有しているものとする。基板１はＳｉからなり、応力調整層２はシリコン窒化物からなる。

この場合、基板１のヤング率Ｅ_ＳＳ、応力調整層２のヤング率Ｅ_ＳＣ、及び、下部電極４のヤング率Ｅ_ＬＥは、以下の関係式を満たしている。

関係式：
Ｅ_ＬＥ＜Ｅ_ＳＣ、
Ｅ_ＳＳ＜Ｅ_ＳＣ、

この薄膜キャパシタによれば、応力調整層２が、これら３つの要素の中で、最も軟らかい下部電極４よりも、下部電極４を支持するための基板１よりも硬いため（ヤング率が高い）、下部電極４の変形が抑制され、これに隣接する誘電体薄膜５の当該変形に伴う損壊、及び、これに伴う特性劣化を抑制することができる。

誘電体薄膜５は、Ａｌ_２Ｏ_３からなるが、他の誘電体材料（絶縁体材料）を用いることもできる。Ａｌ_２Ｏ_３のヤング率は、３７０である。ヤング率の低い順番に並べると、Ｃｕ、Ｓｉ、ＳｉＮｘ、Ａｌ_２Ｏ_３は、この順番であり、誘電体薄膜のヤング率が高い場合、その破損を抑制する場合には、本発明は、より効果がある。各要素の特性データは、図７の図表に示す通りである。

また、電極材料として、Ｃｕを用いたが、これには、例えば、図７に示す金属材料を混入させてもよい。すなわち、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉ、Ｔａからなる金属グループから選択されるいずれか１種又は複数種を、Ｃｕに混合してもよい。下部電極と上部電極の材料が同一であれば、製造は簡略化できるが、これらは異ならせてもよい。

また、基板を構成する材料として、図７に示すように、Ｓｉの他に、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、Ｇｅ又はＧａを用いることができる。

誘電体薄膜の材料として、図７に示すように、ＳｉＮｘ、ＡｉＮ、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ガラス、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、又は、エポキシ樹脂を用いることもできる。なお、これらの誘電体は、保護膜の材料としても用いることができる。

また、基板１の線膨張係数α_ＳＳ、応力調整層２の線膨張係数α_ＳＣ、及び、下部電極４の線膨張係数α_ＬＥは、以下の関係を満たすことが好ましい。

関係式：
α_ＳＣ＜α_ＬＥ、
α_ＳＣ＜α_ＳＳ、

この場合、基板または下部電極に熱膨張が生じても、応力調整層の線膨張係数が小さいため、基板または下部電極の熱膨張が抑制されるという理由により、温度変化による下部電極の変形が減少し、これに隣接する誘電体薄膜の損壊、及び、これに伴う特性劣化を抑制することができる。

第３の薄膜キャパシタにおいては、基板の熱伝導率λ_ＳＳ、応力調整層の熱伝導率λ_ＳＣ、及び、下部電極の熱伝導率λ_ＬＥは、以下の関係を満たすことが好ましい。

関係式：
λ_ＳＣ＜λ_ＳＳ、
λ_ＳＣ＜λ_ＬＥ、

この場合、基板または下部電極に温度変化が生じても、応力調整層の熱伝導率が小さいため、基板と下部電極の熱伝導が抑制され線膨張の発生が抑制されるという理由により、温度変化による下部電極の変形が減少し、これに隣接する誘電体薄膜の損壊、及び、これに伴う特性劣化を抑制することができる。特に、相対的に容積の大きな基板における温度変化の影響が下部電極に伝わらない、という観点の効果が大きい傾向がある。

図９は、比較例に係る（Ａ）下部電極及びダミー電極の平面図と、（Ｂ）上部電極及び下部コンタクト電極の平面図である。

図３（Ａ）及び図４（Ａ）に示した薄膜キャパシタと比較して、下部電極及び上部電極の構造のそれぞれの凸部４ｂ及び凸部６ｂの頂面の長手方向が、全てＹ軸方向に沿っている点が異なり、その他の構造は、同一である。

また、比較例の他に、凸部の形状を改良した構造についても検討をした。

図１０は、下部電極の凸部のＹＺ平面における縦断面構造（上部電極の構造と同じ）をテーパ形状にした例を示す図である。

下部電極の凸部４ｂは、基端部から先端部に向かう方向（＋Ｚ軸方向）に従って、Ｙ軸方向の幅が狭くなっている。この場合、下部電極の複数の凸部の間で生じる相互インダクタンスを低下させることが可能であるため、インピーダンスが低下し、ＥＳＲも低下する。したがって、更に、損失を低減し、動作を安定させることが可能となる。

また、下部電極の凸部４ｂの基端部のＹ軸方向幅Ｗ１と、下部電極の凸部４ｂの先端部のＹ軸方向幅Ｗ２との比率をＲＷ＝Ｗ１／Ｗ２とした場合、比率ＲＷは、以下の関係式を満たしている。

１．２≦ＲＷ≦１．９

なお、凸部の角部が曲率半径を有している場合は、その円弧の中央値を、幅Ｗ１又はＷ２を規定する場合の基準位置とする。ＲＷが１．２よりも小さい場合、前記凸部の頂面エッジ部分における高周波信号の集中が過大となり下部電極の凸部間での相互インダクタンスを低下させることが困難であるため、インピーダンスが高くなり、電極表面の電流が流れにくくなり、ＥＳＲの低下に改善の余地がある。ＲＷが１．９よりも大きい場合、平板型の薄膜キャパシタと同じように、下部電極の凸部間で信号成分の移動が生じる傾向がある。このような横方向への信号伝搬に伴うインピーダンスが発生するため、これもＥＳＲが低下する。

テーパ形状を形成する場合、図２（Ｅ）において、下部電極の凸部４ｂを加工する。凸部４ｂの先端部は若干を丸くなる。この処理では、フォトリソグラフィ―によってパターニングされたマスクを平坦な共通電極部分４ａ上に形成した後、マスクの開口パターン内に、凸部４ｂを形成させる。この形成には、メッキ法やスパッタ法を用いことができるが、ここではメッキ法を用いて、金属を成長させるものとする。

次に、レジストからなるマスクを有機溶剤などで除去し、凸部４ｂの側面を露出させる。

しかる後、凸部４ｂの全ての露出面に対して、エッチングを行う。例えば、Ａｒ等の希ガスを頂面に衝突させて、頂面の外縁の角部、及び、基端部の角部を丸くする方法（スパッタ法、ミリング法）や、これらをドライエッチング又はウエットエッチングすることで、テーパ形状を形成することができる。

なお、金属は適当な酸によりエッチングすることができる。例えば、銅のエッチング液としては、硫酸や過酸化水素系エッチング溶液が良く知られており、プラズマなどを用いたドライエッチングとしては、単に希ガスで金属原子をスパッタすることによってもエッチングすることはできるが、炭化水素系のガスやハロゲンガスを用いたり、これに酸素を含有させることで、銅の酸化を利用しながら、エッチングを行う手法も数多く知られている。
（実験例）

以下の実験を行った。
（実験条件）

共通電極部分４ａ及び凸部４ｂはＣｕからなり、メッキ法で成長させ、これのエッチングには、塩化第二鉄の５重量％水溶液を用い、厚さ１４０ｎｍの誘電体薄膜５としてはＡＬＤ法によって形成されたアルミナを用い、この上にＣｕからなる上部電極をスパッタ法で形成した。なお、共通電極部分４ａの厚みは２μｍ、凸部４ｂの高さは８μｍとした。凹凸構造のＹ軸方向のピッチは４μｍ、上部電極を被覆する保護膜の材料はポリイミドであり、保護膜内を通る接続電極、接続電極の終端に位置するコンタクト電極又はアンダーバンプメタルはＣｕ上にＮｉ及びＡｕのメッキを施してなる。これらの各電極は、めっき法を用いて作成した。製造した薄膜キャパシタのＹ軸方向長（幅）は０．１ｍｍ、Ｘ軸方向長（長さ）は０．４ｍｍである。また、凸部４ｂ及び凸部６ｂの全体Ｘ軸方向の全体の両端間の長さは、分離の有無に拘らず、２１０μｍである。

また、凸部４ｂのテーパ加工は、Ａｒイオンエッチング後に塩化第二鉄の０．５重量％水溶液へ浸漬する複合加工方法を用いて行った。
（実施例１）

図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）に示す電極構造を有する図１に示した薄膜キャパシタを製造したが、下部電極及び上部電極の凸部は、図１０のテーパ加工をしておらず、テーパの比率ＲＷ＝１である。凸部列間のＸ軸方向の隙間は、凸部のＸ軸方向長の４５％〜５５％の間であり、この間の領域の下部電極は平坦である。なお、Ｗ１＝１．７μｍ、Ｗ２＝１．７μｍである。
（実施例２）

図３（Ａ）及び図４（Ａ）に示す電極構造を有する図１に示した薄膜キャパシタを製造したが、下部電極及び上部電極の凸部は、図１０のテーパ加工をしておらず、テーパの比率ＲＷ＝１である。
（実施例３）

図３（Ａ）及び図４（Ａ）に示す電極構造を有する図１に示した薄膜キャパシタを製造したが、下部電極及び上部電極の凸部は、図１０のテーパ加工を施した。なお、テーパの比率ＲＷ＝１．５である。なお、Ｗ１＝１．７μｍ、Ｗ２＝１．１μｍである。
（実施例４）

図３（Ａ）及び図４（Ａ）に示す電極構造を有する図１に示した薄膜キャパシタを製造したが、下部電極及び上部電極の凸部は、図１０のテーパ加工を施した。なお、テーパの比率ＲＷ＝１．２である。なお、Ｗ１＝１．７μｍ、Ｗ２＝１．４μｍである。
（実施例５）

図３（Ａ）及び図４（Ａ）に示す電極構造を有する図１に示した薄膜キャパシタを製造したが、下部電極及び上部電極の凸部は、図１０のテーパ加工を施した。なお、テーパの比率ＲＷ＝１．９である。なお、Ｗ１＝１．７μｍ、Ｗ２＝０．９μｍである。
（実施例６）

図３（Ａ）及び図４（Ａ）に示す電極構造を有する図１に示した薄膜キャパシタを製造したが、下部電極及び上部電極の凸部は、図１０のテーパ加工を施した。なお、テーパの比率ＲＷ＝１．０５である。なお、Ｗ１＝１．７μｍ、Ｗ２＝１．６μｍである。
（実施例７）

図３（Ａ）及び図４（Ａ）に示す電極構造を有する図１に示した薄膜キャパシタを製造したが、下部電極及び上部電極の凸部は、図１０のテーパ加工を施した。なお、テーパの比率ＲＷ＝２．２である。なお、Ｗ１＝１．７μｍ、Ｗ２＝０．８μｍである。
（実験結果）
実施例１：Ｑ値＝１０５０（凸部中央分離型：ＲＷ＝１）
実施例２：Ｑ値＝１２２０（凸部連続型：ＲＷ＝１）
実施例３：Ｑ値＝１４５０（凸部テーパ形状：ＲＷ＝１．５）
実施例４：Ｑ値＝１３７０（凸部テーパ形状：ＲＷ＝１．２）
実施例５：Ｑ値＝１３２０（凸部テーパ形状：ＲＷ＝１．９）
実施例６：Ｑ値＝１２５５（凸部テーパ形状：ＲＷ＝１．０５）
実施例７：Ｑ値＝１２３０（凸部テーパ形状：ＲＷ＝２．２）
比較例１：Ｑ値＝１６４（図９のタイプでＲＷ＝１で、その他は実施例２と同一）

なお、Ｑ値の測定は１００ＭＨｚで行った。Ｑ値は、ＥＳＲが小さいほど高くなり、損失と安定性の観点から、優れている。

実施例１〜７は、比較例１よりも、Ｑ値が高く、また、連続した凸部を有する実施例２は、分離した凸部を有する実施例１よりもＱ値が高い。更に、テーパ形状を有する実施例３〜７は、実施例１及び実施例２よりもＱ値が高く、更に、テーパ形状の比率ＲＷが１．２以上１．９以下の場合の実施例３〜５は、この範囲外の実施例６、７よりもＱ値が高い。

以上、説明したように、上述の薄膜キャパシタは、基板１と、基板１の主表面上に形成された応力調整層２（絶縁層）と、応力調整層２上に形成された下部電極４と、下部電極４を被覆する誘電体薄膜５と、誘電体薄膜５上に形成された上部電極６と、下部電極４に設けられる第１の端子８ｂと、上部電極６に設けられる第２の端子８ａと、を備え、ＸＹＺ三次元直交座標系を設定し、基板主表面をＸＹ平面とし、第１の端子８ｂと第２の端子８ａとを結ぶ方向をＸ軸とした場合、下部電極４は、凹凸構造を有し、この凹凸構造の凸部４ｂの頂面の長手方向は、Ｘ軸方向に沿っている。

この薄膜キャパシタによれば、下部電極が凹凸構造を有しているため、単位面積当たりの容量を増加させることができる。第１の端子８ｂと、第２の端子８ａとの間にバイアス電圧が印加されると、薄膜キャパシタに電荷が蓄積される。印加電圧が交流電圧であれば、交流電流が、これらの端子間を流れる。ＥＳＲが大きくなると、抵抗に基づく電力の損失が発生し、回路動作が不安定になる場合がある。したがって、ＥＳＲを低くすることが好ましい。ＥＳＲが低くなると、薄膜キャパシタのＱ値は高くなる。

この薄膜キャパシタでは、この凹凸構造の凸部の頂面の長手方向は、Ｘ軸方向（端子間を結ぶ方向）に沿っている。この構造は、頂面の長手方向が、Ｙ軸に沿って延びている場合よりも、ＥＳＲが低くなる。したがって、この薄膜キャパシタによれば、ＥＳＲが低くなり、損失を低減し、動作を安定させることが可能となる。

また、下部電極の凸部は、基端部から先端部に向かうに従って、Ｙ軸方向の幅が狭くなっている場合、Ｑ値の向上（ＥＳＲの低下）が観察される。特に、テーパの比率が、１．２≦ＲＷ≦１．９を満たす場合、その改善効果が著しい。

また、凹凸構造を有する薄膜キャパシタにおいては、単位体積中の電極対向面積を大きくする構造であるため、容量を増加させることができる。一方、電極が細分化されるため強度が低下し、実装時の温度上昇や、実使用時の環境によって発生する機械的な力が誘電体層に伝わり、破壊される虞がある。本実施形態では、この破壊を抑制している。下部電極の凹凸構造としては、縦断面の形状が、櫛歯或いはスリット状の下部電極、又は、ピン又は穴からなる形状の下部電極を用いることができ、下部電極と上部電極の構造は互いに置換させることも可能である。

以上のように、上述の所定の条件を満たすことにより、誘電体薄膜への応力蓄積を抑制し、特性劣化を抑制することができ、また、損失が少なく安定性が高い薄膜キャパシタを提供することができる。

１…基板、４…下部電極、５…誘電体薄膜、６…上部電極。

Claims (3)

1. 基板と、
   前記基板の主表面上に形成された絶縁層と、
   前記絶縁層上に形成された下部電極と、
   前記下部電極を被覆する誘電体薄膜と、
   前記誘電体薄膜上に形成された上部電極と、
   前記下部電極に設けられる第１の端子と、
   前記上部電極に設けられる第２の端子と、
   を備え、
   ＸＹＺ三次元直交座標系を設定し、
   前記主表面をＸＹ平面とし、
   前記第１の端子と前記第２の端子とを結ぶ方向をＸ軸とした場合、
   前記下部電極は、凹凸構造を有し、
   この凹凸構造の凸部の頂面の長手方向は、Ｘ軸方向に沿っている、
   ことを特徴とする薄膜キャパシタ。
2. 前記下部電極の前記凸部は、基端部から先端部に向かうに従って、Ｙ軸方向の幅が狭くなっている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の薄膜キャパシタ。
3. 前記下部電極の前記凸部の前記基端部のＹ軸方向幅Ｗ１と、
   前記下部電極の前記凸部の前記先端部のＹ軸方向幅Ｗ２と、
   の比率をＲＷ＝Ｗ１／Ｗ２とした場合、
   比率ＲＷは、以下の関係式：
   １．２≦ＲＷ≦１．９
   を満たすことを特徴とする請求項２に記載の薄膜キャパシタ。

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