JP2634133B2 - 高誘電体層を有する窒化アルミニウム多層配線基板及びその製造方法 - Google Patents

高誘電体層を有する窒化アルミニウム多層配線基板及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えばＶＬＳＩの高速
化に伴い、障害となる電気ノイズを効果的に除去できる
多層配線基板に関し、詳しくは、窒化アルミニウム多層
配線基板内にコンデンサを設ける際に高静電容量が容易
に得られる高誘電体層を有する窒化アルミニウム多層配
線基板及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、電子機器の小型化や機能向上の要
求は大きくなっており、半導体は集積密度を増し、多機
能化，高速化，高出力化を目指して急速に発展してきて
いる。それに伴って、半導体から発生する熱量は増加す
るので、半導体基板として熱伝導性の高い材料が求めら
れている。ところが、従来のアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）基板
は、熱伝導率が低く（約２０w／m・k）、しかも熱膨張率
がシリコンに比べて大きいため、シリコンとの接合性が
悪いなどの問題点があった。そこで、近年では、Ａｌ2
Ｏ3より熱伝導率が高く、熱膨張率もシリコンに近い材
料の一つとして、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が注目さ
れており、このＡｌＮを基材とする半導体基板が開発さ
れている。
【０００３】また、これとは別に、大規模な集積回路で
あるＶＬＳＩの高速化（高周波数動作化）に伴い、障害
となる電気ノイズを効果的に除去するために、半導体基
板にコンデンサを設置する必要が出てきた。この場合、
コンデンサとして半導体用基板外部にチップコンデンサ
を設けることもあるが、配線間のインダクタンスが増大
するという問題がある。そこで、基板内にコンデンサを
設ける方法がとられることがあるが、通常の同時焼成基
板（セラミック層及び配線導体を同時焼成する基板）の
場合に、所定の静電容量を得るためには、コンデンサと
なる誘電体層用のシート又はペーストと導体層とを多層
積層する必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の様に
して基板内にコンデンサを設ける場合には、下記の様な
問題があり、必ずしも好ましくない。つまり、同時焼成
基板内にコンデンサを設ける際には、所定の静電容量を
得るために、例えば（上記セラミック層と同様な組成
の）誘電体層用シートと導体層とを多層積層する必要が
あるが、多層積層することによって、製造が複雑になっ
て、製造費用が高くなるという問題がある。
【０００５】この対策として、誘電体層を薄くして静電
容量を増加させて、積層数を低減する方法が考えられる
が、誘電体層を薄くすると、ピンホールが生じ易くなっ
てショートが発生するという問題がある。更に、加工性
を考えると誘電体層の厚さは数１０μm以上が必要であ
るので、得られる静電容量には一定の限界がある。ま
た、これとは別に、誘電体層の面積を大きくする方法が
考えられるが、誘電体層の面積は基板の設計上一定の限
界があり、必ずしも好ましくない。
【０００６】本発明は、前記課題を解決するためになさ
れ、多層積層をそれほど行わなくても、高静電容量を容
易に実現できる高誘電体層を有する窒化アルミニウム多
層配線基板及びその製造方法を提供することを目的とす
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の請求項１の発明は、窒化アルミニウム多層配線基板に
設けられた高誘電体層が、基材である窒化アルミニウム
と、該窒化アルミニウムの焼結助剤と、IVａ族元素の単
体，窒化物，炭化物，Vａ族元素の単体，窒化物，炭化
物のうち少なくとも１種と、から主として構成されるこ
とを特徴とする高誘電体層を有する窒化アルミニウム多
層配線基板を要旨とする。
【０００８】請求項２の発明は、窒化アルミニウムと、
その焼結助剤と、IVａ族元素の単体，窒化物，炭化物，
Vａ族元素の単体，窒化物，炭化物のうち少なくとも１
種とを混合し、この混合材料を用いて高誘電体層用生材
を成形し、該高誘電体層用生材を基板用生材と積層して
積層体を形成し、該積層体を脱脂した後に、該積層体を
同時焼成することを特徴とする高誘電体層を有する窒化
アルミニウム多層配線基板の製造方法を要旨とする。
【０００９】以下、本発明の各構成について説明する。 １）窒化アルミニウム多層配線基板の基材及び高誘電体
層に使用する原料であるＡｌＮ（第１成分と称す）の粉
末としては、平均粒径１０μm以下の細かいものが好適
であり、特に２μm以下のものが好ましい。尚、高熱伝
導性を得るために、原料中には不純物酸素量が少ない方
が好ましい。
【００１０】２）ＡｌＮの焼結助剤（第２成分と称す）
としては、例えば酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3），Ｙ2Ｏ3
−Ａｌ2Ｏ3系やＹ2Ｏ3−ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3系化合物，Ｙ
2Ｏ3＋ＣａＯ等を使用できる。添加量は０.１〜１０重
量％の範囲が好ましい。また、平均粒径は１０μm以下
が好ましく、特に５μm以下が好適である。尚、焼結助
剤としては、他のアルカリ土類酸化物や希土類元素酸化
物を使用できる。
【００１１】３）高誘電体層には、比誘電率を高くする
ために、IVａ族元素の単体，IVａ族元素の窒化物，IVａ
族元素の炭化物，Vａ族元素の単体，Vａ族元素の窒化
物，Vａ族元素の炭化物の群から選ばれる少なくとも１
種（第３成分と称す）を、５〜４０重量％添加する必要
がある。これら第３成分の粉末の平均粒径は、分散効果
により電気ショート等の電気的特性を劣化させないため
に、５μm以下の小さいことが望まれる。尚、第３成分
の添加量が５重量％を下回ると、比誘電率があまり高く
ならず、４０重量％を上回ると、電気的にショートする
場合があるので好ましくない。
【００１２】４）生加工に関しては、高誘電体層も基材
も基本的にほぼ同一方法で行なうことができる。例えば
使用する原料粉を有機溶剤などを用いて湿式混合し、結
合剤として有機バインダを加え、ドクターブレード法に
よって基材用生材（例えばグリーンシート）及び高誘電
体層用生材（例えばグリーンシート）を作成することが
できる。そして、各グリーンシートに対して、通常は、
導電層の形成やビヤホールの形成及び導電体ペーストに
よるビアホールの穴埋め等の加工が施される。
【００１３】５）導体層の組成としては、Ｗ，Ｍｏなど
の高融点金属や、該金属に基材成分やＮｉ，Ｃｏ等の活
性金属を加えた組成を採用できる。この導体層の形成
は、例えば前記導体層の材料と有機バインダとからなる
メタライズペーストを作成し、前記各グリーンシートに
印刷或は塗布して行なうことができる。
【００１４】６）積層体は、例えば導体層が形成された
各グリーンシートを積層したものであり、窒素中やアン
モニアホーミングガス中等で加熱されるいわゆる脱脂加
工にて、有機バインダを除去することができる。 ７）積層体を焼成する場合には、積層体を、例えば窒化
アルミニウム，窒化硼素，炭素などからなる容器に収納
し、非酸化性雰囲気で焼成を行なうことができる。この
非酸化性ガスとしては、アルゴン，ヘリウム，窒素，ー
酸化炭素，水素などのガス或はそれらの混合ガス、更に
は真空中が採用できるが、特に窒素ガスが望ましい。
【００１５】８）積層体の焼成温度は、１６００〜２１
００℃の範囲を採用でき、好ましくは１６５０〜１８０
０℃である。この温度が１６００℃以下では、焼結が十
分行われず、２１００℃以上では、窒化アルミニウム自
体の分解が起こるので好ましくない。尚、焼結は、常圧
焼結法で行なうことができるが、ホットプレス法，加圧
焼結法でもよい。
【００１６】
【作用】請求項１の発明では、窒化アルミニウム多層配
線基板の高誘電体層が、基材である窒化アルミニウム
と、その焼結助剤と、IVａ族元素の単体，窒化物，炭化
物，Vａ族元素の単体，窒化物，炭化物のうち少なくと
も１種とから主として構成されているので、窒化アルミ
ニウムの高熱伝導性を損なうことなく、高誘電体層の比
誘電率を高めることが可能である。よって、それほど誘
電体層を多層にしなくても或は薄層にしなくとも、高い
静電容量を実現できる。
【００１７】また、請求項２の発明では、高誘電体層を
有する窒化アルミニウム多層配線基板を製造する場合
に、まず、窒化アルミニウムと、その焼結助剤と、IVａ
族元素の単体，窒化物，炭化物，Vａ族元素の単体，窒
化物，炭化物のうち少なくとも１種とを混合し、この混
合材料を用いて例えばグリーンシートの様な高誘電体層
用生材を成形し、この高誘電体層用生材と基板用生材と
を積層する。そして、この積層体を脱脂した後に、積層
体を同時焼成することによって高誘電体層を有する窒化
アルミニウム多層配線基板が製造される。つまり、この
製造方法によって、高い静電容量の高誘電体層を有する
窒化アルミニウム多層配線基板を容易に製造できること
になる。
【００１８】
【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明ら
かにするために、以下本発明の好適な実施例について説
明する。尚、図１（ａ）は実施例の多層配線基板の平面
図であり、図１（ｂ）はその一部を破断して示す正面図
であり、図（ｃ）はその要部を拡大して示す断面図であ
る。
【００１９】図１に示す様に、本実施例の窒化アルミニ
ウム多層配線基板１は、３５１ピンの多層配線基板１
（縦７５mm×横７５mm×厚さ３.７mm）であり、厚さ２.
１mmの上基板層２と、厚さ０.１mmのコンデンサ部４
と、厚さ１.５mmの下基板層５とが積層されたものであ
る。
【００２０】前記上基板層２は、ＡｌＮからなる３枚の
基板層２ａ〜２ｃが、中心部側が薄くなる様に周囲が階
段状に積層されたものであり、各基板層２ａ〜２ｃの表
面や内部には、図示しない導体層が形成されている。ま
た、コンデンサ部４は、ＡｌＮに（比誘電率を高めるた
めに）ＴｉＮが添加された２枚の高誘電体層３ａ，３ｂ
（３と総称する）が積層されたものであり、コンデンサ
部４の両側と両高誘電体層３の間とには、図示しない導
体層が形成されている。尚、下基板層５は、２枚のＡｌ
Ｎからなる基板層から構成されている。
【００２１】次に、本実施例の多層配線基板１の製造方
法について説明する。 ａ）上下基板層２，５の材料として、平均粒径２μm以
下のＡｌＮ粉末９５重量％と、焼結助剤である平均粒径
５μm以下のＹ2Ｏ3粉末５重量％とを、有機溶剤などを
用いて湿式混合し、結合剤として有機バインダを加え、
ドクターブレード法によって厚さの異なる３枚のグリー
ンシート（基板シート）を作成する。その後、ビアホー
ルの形成等の生加工を行なう。
【００２２】ｂ）一方、高誘電体層３の材料として、平
均粒径２μm以下のＡｌＮ粉末８０重量％と、焼結助剤
である平均粒径５μm以下のＹ2Ｏ3粉末５重量％と、第
３成分である平均粒径２μm以下のＴｉＮ１５重量％と
を、前記上下基板層２，５と同様に、有機溶剤などを用
いて湿式混合し、結合剤として有機バインダを加え、ド
クターブレード法によって厚さ０.０５mmのグリーンシ
ート（高誘電体シート）を作成する。その後、ビアホー
ルの形成等の生加工を行なう。
【００２３】ｃ）また、導電体層の材料として、高融点
金属であるＷと前記基材成分とを用い、これに有機バイ
ンダ等を加えてメタライズペーストを作成し、基板シー
ト及び高誘電体シートに対し、ビアホール穴埋め加工及
び印刷を行なって導電層の形成を行なう。
【００２４】ｄ）次に、これらの加工を行った基板シー
ト及び高誘電体シートを積層し、グリーンシート積層体
とする。 ｅ）次に、このグリーンシート積層体から有機バインダ
を除去するために、窒素中やアンモニアホーミングガス
中等で加熱する脱脂加工を行なう。
【００２５】ｆ）こうして得られた脱脂済みの積層体を
ＡｌＮ製容器に収納し、例えば常圧の窒素雰囲気下で、
１７５０℃にて６時間保持して同時焼成を行ない、高誘
電体層３を有する窒化アルミニウム多層配線基板１を完
成する。そして、この様にして製造された多層配線基板
１のコンデンサ部４の静電容量を測定したところ、３６
［ｎＦ］と大きく好適であった。それに対して、従来の
材料を使用してコンデンサを形成したもの（単に基板材
料に焼結助剤を添加しただけのもの；下記比較例１に該
当）では、静電容量が２２［ｎＦ］と小さく好ましくな
かった。つまり、本実施例のものは、同じ厚み（積層
数）の場合、高い静電容量が得られるので、所定の静電
容量を得るのに必要な積層数を少なくできるという顕著
な効果がある。それによって、製造が容易になり、製造
コストが低減するという利点がある。
【００２６】次に、本発明の効果を確認するために行っ
た実験例について説明する。尚、この実験では、比較を
明確にするために多層配線基板のモデルを作成して、各
種の測定及び観察を行った。 （実験例１）この実験例１は、コンデンサとなる高誘電
体層のみを作成して、その特性を調べたものである。
【００２７】まず、ＡｌＮ粉末（平均粒径１.２μm）９
０〜５５重量％と、焼結助剤としてＹ2Ｏ3粉末（平均粒
径１.４μm）５重量％と、高誘電率化のために第３成分
（IVａ族元素の単体，窒化物，炭化物，Vａ族元素の単
体，窒化物，炭化物のうち少なくとも１種）である下記
表１の添加物の粉末（平均粒径０.６〜１.８μm）５〜
４０重量％とを、有機溶剤中で混合し、更に有機バイン
ダを加えてスラリーを作成し、ドクターブレード法でグ
リーンシート（厚さ０.６mm）を作成する。このグリー
ンシートを４枚積層し、所定の形状に切断して、試験片
（厚さ２.４mm）を作成する。これをアンモニアホーミ
ングガス中で脱脂した後に、ＡｌＮ製容器に収容し、窒
素雰囲気にて６時間焼成し、その後研磨して、厚さ０.
６３５mmの高誘電体層を作成した（実施例試料No.１〜
７）。
【００２８】そして、この高誘電体層に対し、下記〜
の測定項目の測定を下記の方法にて行った。その結果
を同じく下記表１に記す。また、本発明の範囲外の比較
例についても、同様な測定を行った（比較例試料No.１
〜４）。その結果を同じく表１に記す。
【００２９】焼成密度 ；水中にてアルキメデス法 熱伝導率 ；レザーフラッシュ法 体積抵抗率；テトラオーム法で５００Ｖ印加 耐電圧 ；絶縁油中で６０Ｈｚの交流電圧を印加 比誘電率，誘電損失；インピーダンスアナライザーで
１０ＭＨｚでの静電容量を測定し計算
【００３０】
【表１】
【００３１】この表１から明かな様に、実施例試料No.
１〜７のものは、熱伝導率が１２５［W/m・k］以上と大
きく、しかも比誘電率も１０.１以上と大きく、例えば
ＶＬＳＩ等に使用される多層配線基板の高誘電体層とし
て好適である。尚、この表１から明かな様に、ＴｉＮ，
ＶＮ等の第３成分を５〜４０重量％の範囲で添加した材
料では、添加量が多くなるほど比誘電率が高くなること
が分かる。しかし、逆に、添加量が多くなるほど耐電圧
特性が劣化する傾向にある。また、熱伝導率に関して
は、ＴｉＮ，ＶＮなどの窒化物の添加量が多いほど低下
する傾向にある。
【００３２】それに対して、比較例試料No.１（第３成
分を添加しないもの）は、熱伝導率は高いが比誘電率が
８.９と小さいので好ましくない。また、比較例試料No.
２は、比誘電率は１０.８と大きいが、熱伝導率が７２
［W/m・k］と小さいので好ましくない。比較例試料No.３
は、熱伝導率及び比誘電率が共に小さく好ましくない。
また、比較例試料No.４は、比誘電率は１５と大きい
が、熱伝導率が３９［W/m・k］と小さいので好ましくな
い。
【００３３】（実験例２）この実験例２は、図２に示す
コンデンサ（のモデル）を作成して評価を行ったもので
ある。図２に示す様に、コンデンサ１１は、ＡｌＮから
なる上下の基板層１２ａ，１２ｂと、両基板層１２ａ，
１２ｂとの間に配置された高誘電体層１４と、高誘電体
層１４の両側に形成された（Ｗからなる）メタライズ層
１５ａ，１５ｂと、各層を貫くビアホール１６ａ，１６
ｂと、ビアホール１６ａ，１６ｂ中に充填されてメタラ
イズ層１５ａ，１５ｂに接続する（Ｗからなる）導体１
７ａ，１７ｂと、導体１７ａ，１７ｂに各々接続する
（Ｗからなる）電極層１９ａ，１９ｂとから構成されて
いる。
【００３４】このコンデンサ１１は、下記の様にして製
造される。まず、下記表２の（第３成分の）添加物を用
いて、前記実施例と同様にして高誘電体シートを作成す
る。また、前記実施例と同様にして上下の基板シートも
作成し、各シートの所定位置にビアホールをあけ、ビア
ホールにＷ等の高融点金属を主成分とするメタライズペ
ーストを充填する。その後、高誘電体シートの上下面の
所定位置に、前記のメタライズペーストを印刷又は塗布
してメタライズ層を形成する。その後、それらのシート
を高誘電体シートが中間になる様に積層する。更に、上
層となる基板シートの所定位置にＷペーストを印刷して
電極層（面積約６cm2）を形成する。次に、この積層体
をアンモニアホーミングガス中で脱脂した後に、ＡｌＮ
製容器に収容し、１７５０℃で窒素雰囲気中で６時間に
わたり焼成する。
【００３５】この様にして作成されたコンデンサ１１の
静電容量を、インピーダンスアナライザで計測し、更に
その断面で高誘電体層１４の厚さを測定し、計算によっ
てその比誘電率を算出した（実施例試料No.８，９）。
また、ＳＥＭでメタライズ層１５，１６と高誘電体層１
４の反応の有無を確認した。その結果を下記表２に記
す。
【００３６】
【表２】
【００３７】この表２から明かな様に、実施例試料No.
８，９のコンデンサ１１は、高誘電体層の成分として、
第３成分を所定量添加しているので、比誘電率が１０.
８以上と高く好適である。尚、この実験では、実験例１
の高誘電体層のみの比誘電率よりも若干大きくなってい
るが、これは、メタライズ層１５，１６のＷと高誘電体
層（絶縁層）１４のＡｌＮ等の界面での絡み合い効果
で、実質の絶縁層の厚みが小さくなっているからと思わ
れる。
【００３８】尚、本発明は、上記実施例に何等限定され
ず、本発明の要旨の範囲内において各種の態様で実施で
きることは勿論である。
【００３９】
【発明の効果】以上詳述した様に、請求項１の発明で
は、窒化アルミニウム多層配線基板の高誘電体層が、基
材である窒化アルミニウムと、その焼結助剤と、IVａ族
元素の単体，窒化物，炭化物，Vａ族元素の単体，窒化
物，炭化物のうち少なくとも１種とから主として構成さ
れているので、窒化アルミニウムの高熱伝導性を損なう
ことなく、高誘電体層の比誘電率を高めることができ
る。よって、それほど誘電体層を多層にしなくても或は
薄層にしなくとも、高い静電容量を実現することができ
る。更に、誘電体層を極度に薄層にする必要がないの
で、ピンホールやショートが発生するという問題もな
く、その上、誘電体層の面積を大きくする必要がないの
で、設計上有利である。
【００４０】また、請求項２の発明では、窒化アルミニ
ウムと、その焼結助剤と、IVａ族元素の単体，窒化物，
炭化物，Vａ族元素の単体，窒化物，炭化物のうち少な
くとも１種とを混合し、この混合材料を用いて高誘電体
層用生材を成形し、高誘電体層用生材と基板用生材とを
積層し、積層体を脱脂した後に、積層体を同時焼成する
ので、容易に、高誘電体層を有する窒化アルミニウム多
層配線基板を製造することができる。つまり、この製造
方法によって、誘電体層を多く積層しなくても、或は極
めて薄層にしなくても高い比誘電率を実現できるので、
高い静電容量の高誘電体層を有する窒化アルミニウム多
層配線基板を容易に製造できるという顕著な特長があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例の多層配線基板を示し、
（ａ）はその平面図であり、（ｂ）はその一部を破断し
て示す正面図であり、（ｃ）はその要部を拡大して示す
断面図である。
【図２】 実験に使用したコンデンサの構造を示す断面
図である。
【符号の説明】
１…多層配線基板 ２…上基板層 ３，３ａ，３ｂ，１４…高誘電体層 ４…コンデンサ
部 ５…下基板層 １１…コンデン
サ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 23/15 Ｈ０１Ｌ 23/14 Ｃ

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 窒化アルミニウム多層配線基板に設けら
    れた高誘電体層が、基材である窒化アルミニウムと、該
    窒化アルミニウムの焼結助剤と、IVａ族元素の単体，窒
    化物，炭化物，Vａ族元素の単体，窒化物，炭化物のう
    ち少なくとも１種と、から主として構成されることを特
    徴とする高誘電体層を有する窒化アルミニウム多層配線
    基板。
  2. 【請求項２】 窒化アルミニウムと、その焼結助剤と、
    IVａ族元素の単体，窒化物，炭化物，Vａ族元素の単
    体，窒化物，炭化物のうち少なくとも１種とを混合し、
    この混合材料を用いて高誘電体層用生材を成形し、該高
    誘電層用生材を基板用生材と積層して積層体を形成し、
    該積層体を脱脂した後に、該積層体を同時焼成すること
    を特徴とする高誘電体層を有する窒化アルミニウム多層
    配線基板の製造方法。
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