JP3600734B2 - Thin film capacitors and substrates - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は薄膜コンデンサに関し、例えば、高速動作する電気回路に配設され、高周波ノイズのバイパス用、もしくは電源電圧の変動防止用に供される、大容量、低インダクタンスの薄膜コンデンサおよび基板に関するものである。
【0002】
【従来技術】
近年においては、電子機器の小型化、高機能化に伴い、電子機器内に設置される電子部品にも小型化、薄型化、高周波対応などの要求が強くなってきている。
【0003】
特に大量の情報を高速に処理する必要のあるコンピュータの高速デジタル回路では、パーソナルコンピュータレベルにおいても、CPUチップ内のクロック周波数は100MHzから数百MHz、チップ間バスのクロック周波数も30MHzから100MHzと高速化が顕著である。
【0004】
また、LSIの集積度が高まりチップ内の素子数の増大につれ、消費電力を抑えるために電源電圧は低下の傾向にある。これらIC回路の高速化、高密度化、低電圧化に伴い、コンデンサ等の受動部品も小型大容量化と併せて、高周波もしくは高速パルスに対して優れた特性を示すことが必須になってきている。
【0005】
コンデンサを小型高容量にするためには一対の電極に挟持された誘電体を薄くし、薄膜化することが最も有効である。薄膜化は上述した電圧の低下の傾向にも適合している。
【0006】
一方、IC回路の高速動作に伴う諸問題は各素子の小型化よりも一層深刻な問題である。このうち、コンデンサの役割である高周波ノイズの除去機能において特に重要となるのは、論理回路の切り替えが同時に発生したときに生ずる電源電圧の瞬間的な低下を、コンデンサに蓄積されたエネルギーを瞬時に供給することにより低減する機能である。このような機能を有するコンデンサがいわゆるデカップリングコンデンサである。
【0007】
デカップリングコンデンサに要求される性能は、クロック周波数よりも速い負荷部の電流変動に応じて、いかにすばやく電流を供給できるかにある。従って、100MHzから1GHzにおける周波数領域に対してコンデンサとして確実に機能しなければならない。
【0008】
しかし、実際のコンデンサ素子は静電容量成分の他に、抵抗成分、インダクタンス成分を持つ。容量成分のインピーダンスは周波数増加とともに減少するが、インダクタンス成分は周波数の増加とともに増大する。したがって、動作周波数が高くなるにつれ、素子の持つインダクタンスが供給すべき過渡電流を制限し、論理回路側の電源電圧の瞬時低下、または新たな電圧ノイズを発生させる。結果として、論理回路上のエラーを引き起こす。
【0009】
特に最近のLSIは総素子数の増大による消費電力増大を抑えるために電源電圧は低下しており、電源電圧の許容変動幅も小さくなっている。従って、高速動作時の電圧変動幅を最小に抑えるため、デカップリングコンデンサ素子自身の持つインダクタンスを減少させることが非常に重要である。
【0010】
インダクタンスを減少させる方法は3つある。第1は電流経路の長さを最小にする方法、第2はある電流経路が形成する磁場を近接する別の電流経路が形成する磁場により相殺低減する方法、第3は電流経路をn個に分配して実効的なインダクタンスを1/nにする方法である。
【0011】
第1の方法は、単位面積あたりの容量を増加させて小型化を図る方法であり、コンデンサ素子を薄膜化することにより達成できる。大容量で高周波特性の良好なコンデンサを得る目的で、特開昭60−94716号公報には誘電体厚さを1μm以下に薄膜化したものが開示されている。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、所望の場所に実装できるデカップリングコンデンサを考えた場合、ハンドリング可能な寸法として0.5mm×0.5mm程度以上が必要であり、第1の薄膜、小型化の方法のみでインダクタンスを低減するには限界があった。
【0013】
また、上記第1〜第3の方法を組み合わせて用いる方法も考えられるが、未だ、小型化、薄型化、大容量化、高周波対応等の特性の点で、充分な特性を有する薄膜コンデンサを得ることができなかった。
【0014】
本発明は、実装が容易でかつ積層化が容易な低インダクタンス構造を有する薄膜コンデンサを提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明の薄膜コンデンサは、誘電体層の下面に第1電極層を、上面に第2電極層を形成してなる容量素子を所定間隔を置いて複数並置するとともに、該複数の容量素子の間に、前記第1電極層同士および前記第2電極層同士を接続する端子電極層をそれぞれ設け、さらに前記端子電極層に外部端子を設けてなるものである。
【0016】
本発明の積層型の薄膜コンデンサは、複数の誘電体層と複数の電極層を交互に積層してなり、前記電極層が下側から交互に第1電極層または第2電極層とされた容量素子を所定間隔を置いて複数並置するとともに、該複数の容量素子の間に、同一平面上の前記第1電極層同士および前記第2電極層同士を接続する端子電極層をそれぞれ設け、さらに最上層の前記端子電極層に外部端子を設けてなるものである。
【0017】
さらに、本発明の基板は、上記薄膜コンデンサを基体の表面および/または内部に設けてなるものである。
【0018】
【作用】
本発明の薄膜コンデンサでは、複数の容量素子を所定の間隔で並置し、容量素子間に設けられた端子電極層で、各容量素子の第1電極層同士および第2電極層同士をそれぞれ接続し、各端子電極層上に外部端子をそれぞれ形成したので、各容量素子が複数に分割され、電流経路を分割することができ、インダクタンスを小さくすることができる。
【0019】
また、各容量素子間に、第1電極層同士を接続する端子電極層と、第2電極層同士を接続する端子電極層が形成されており、これらの端子電極層にそれぞれ外部端子を設けることにより、端子電極層間の距離が短くなり、実効的な電流経路が短くなりインダクタンスをさらに小さくすることができる。
【0020】
さらに、各電極層は容量素子間に形成されている端子電極において接続することができ、図7に示すような従来のコンデンサの電極形状を変更するだけで同じような製法によって作製できるため、積層化が容易となる。また、外部との接点に用いる外部端子を、誘電体層が直下に存在しない端子電極層上に形成することができるので、外部端子形成時の熱応力による容量素子へのダメージ等を防止でき、また、その弊害を考慮する必要がなく、実装が容易となる。
【0021】
【発明の実施の形態】
本発明の単板型タイプの薄膜コンデンサは、図1および図2に示すように、誘電体層1の下面に正極である第1電極層2、上面に負極である第2電極層3を形成してなる容量素子A、B、C、Dが所定の間隔で並置されている。
【0022】
容量素子A、B、C、D間には端子電極層4、5がそれぞれ形成され、各容量素子A、B、C、Dの第1電極層2同士および第2電極層3同士はそれぞれ端子電極層4、5を介して接続されている。容量素子A、B、C、Dおよび端子電極層4、5は、基板6の上面に形成されている。
【0023】
そして、図2に示したように、第1電極層2同士を接続する3つの端子電極層4の上面、および第2電極層3同士を接続する3つの端子電極層5の上面には、外部に露出する外部端子7がそれぞれ形成されている。
【0024】
上述した端子電極層4、5により接続された各電極層2、3、誘電体層1の平面形状を図3に示した。第1電極層2および端子電極層4、および第2電極層3および端子電極層5は、図3(a)(c)に示すように同一平面に形成され、全体として櫛型形状とされている。
【0025】
また端子電極層4、5は容量素子A、B、C、D間だけでなく、図3(d)に示すように、容量素子A、B、C、Dの外側にも形成することができる。
【0026】
さらに、誘電体層1は、図3(b)に示すように、第1電極層2または第2電極層3を被覆するような大きさの長方形状とされている。誘電体層1同士は、図3(b)に示すように、所定の間隔で離間されていても良いし、また、図3(e)に示すように、誘電体層1は各端子電極層4、5の全面を被覆しない範囲で、誘電体層1と同一材料からなる接続部9で連結して形成してもよい。このような接続部9を形成することにより、異なる極性の端子電極層4、5間の絶縁性を向上できる。
【0027】
尚、上記例では、4個の容量素子A、B、C、Dを有する場合を説明したが、容量素子の数は3個以上であればよい。容量素子数が増えるほど端子電極層の数が増加し、その上に形成する外部端子を多くすることができるので、電流経路の分割数が増加し、インダクタンスを小さくすることができる。
【0028】
本発明の薄膜コンデンサの外部端子7は、図2に示した通り、端子電極層4、5上にそれぞれ形成することができ、これにより容量が取り出されるが、外部端子7に個数の制限なく端子電極層4、5の全てに外部端子7を形成する必要はなく、必要に応じて必要な数だけ形成すれば良い。しかしながら、電流経路の分割効果を得るためには、図4に示すように、少なくとも端子電極層4、5上にそれぞれ2個以上形成することが望ましい。また、図5に示すように、一つの端子電極層4、5に2個以上の外部端子7を形成しても良い。この場合には、外部端子7により基板に接続する際の固定を確実に行うことができる。
【0029】
誘電体層1および電極層2、3の厚みは、0.1〜1μm、大きさは一辺が0.5〜3mmとされている。各層の厚み、大きさは材質や用途により適宜変更することができる。
【0030】
本発明で用いられる基板6としては、アルミナ、サファイア、MgO単結晶、SrTiO3 単結晶、SiO2 被覆シリコンなどが望ましい。特に、薄膜との反応性が小さく、安価で強度が大きく、かつ誘電体膜または電極膜の結晶性という点からアルミナ、サファイアが望ましい。
【0031】
また、本発明の電極層2、3、端子電極層4、5は、金(Au)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、銅(Cu)、銀(Ag)、ニッケル(Ni)薄膜等があり、これらのうちでも誘電体との反応性が小さく、酸化されにくい金(Au)や白金(Pt)、抵抗の低い銅(Cu)薄膜が最適である。
【0032】
さらに、誘電体層1は、高周波領域において高誘電率を有するものであれば良いが、その膜厚は1μm以下が望ましい。例えば、誘電体層1は、金属元素としてPb、Mg、Nbを含むペロブスカイト型複合酸化物結晶からなる誘電体薄膜であって、測定周波数300MHz(室温)での比誘電率が1000以上の誘電体薄膜が望ましい。また、誘電体層1としては、例えば、Ba、Tiを含むペロブスカイト型複合酸化物結晶、PZT、PLZT、SrTiO3 、Ta2 O5 等でも良く、特に限定されるものではない。このような誘電体層1は、PVD法、CVD法、ゾルゲル法等の公知の方法により作製される。
【0033】
外部端子7としては、形状的には、バンプ状、箔状、板状、線状、ペースト状等があり、特に限定されるものではなく、複数を組み合わせても良い。また材質は、半田、Pb、Sn、Ag、Au、Cu、Pt、Al、Ni、導電性樹脂等があり、特に限定されるものではなく、複数を組み合わせても良い。
【0034】
以上のように構成された薄膜コンデンサは、容量素子A、B、C、Dの電極層2、3を端子電極層4、5により接続しているため、電流経路を4つに分割することができ、低インダクタンス化を図ることができる。
【0035】
また、容量素子A、B、C、D間に形成される端子電極層4、5を接近させることができ、端子電極層4、5にそれぞれ形成される外部端子7間の距離Lを短くすることができるため、電流経路が短縮され、インダクタンスを小さくすることができる。
【0036】
即ち、従来の図7に示すような薄膜コンデンサは、基板20の上面に第1電極層21、誘電体層22、第2電極層23を順次積層し、第1電極層21、第2電極層23の端部に容量取出部24を形成して構成されており、複数の薄膜コンデンサの容量取出部24を接続することにより並列接続することが考えられるが、この場合には電流経路を4つに分割することができるものの、容量取出部24間の距離が長くなるため、インダクタンス低減効果が小さいのである。
【0037】
また、外部との接点に用いる外部端子7が端子電極層4、5上にそれぞれ形成されているため、正負の外部端子7が上方に露出していることになり、例えば、電極が形成された基板の前記電極に外部端子7を接合することにより実装でき、基板等への実装が容易となる。
【0038】
本発明の積層タイプの薄膜コンデンサを図6により説明する。この図6によれば、積層型の薄膜コンデンサは、図1に示した単板型タイプの薄膜コンデンサに対して、さらに誘電体層と電極層を積層したものである。
【0039】
即ち、電極層2、3と誘電体層1を交互に積層してなる容量素子を所定の間隔で並置し、容量素子間には端子電極層4、5がそれぞれ形成され、各容量素子の2層の第1電極層2同士および2層の第2電極層3同士はそれぞれ端子電極層4、5を介して接続されている。容量素子および端子電極層4、5は、基板6の上面に形成されている。
【0040】
このような図6に示された構造の積層型薄膜コンデンサも、図1乃至図3に示された単板型の薄膜コンデンサと全く同様、複数の外部端子7による電流経路の分割効果および端子電極層4、5の近接形成による電流経路の短縮効果によって、インダクタンスを小さくすることができ、最上層の端子電極層4、5上に外部端子7を形成することができるので実装が容易となる。さらに、電極層2、3と誘電体層1を交互に積層しているため、高容量となり、また、端子電極層4、5と電極層2、3は同時に形成することができるので積層も容易となる。
【0041】
さらに、下側の第1電極層2同士を接続する端子電極層4と、上側の第1電極層2同士を接続する端子電極層4が積層され、また下側の第2電極層3同士を接続する端子電極層5と、上側の第2電極層3同士を接続する端子電極層5とが積層されることになり、端子電極層4、5の直下には誘電体層1が存在しないため、外部端子形成時の熱応力による誘電体層1へのダメージ等を防止できる。
【0042】
また、本発明の薄膜コンデンサは、一般には、上記のように、基板表面に形成されて用いられるが、基板内に内蔵して用いることもできる。積層タイプを基板内に内蔵する場合には、端子電極層同士は、例えば、基板内に形成されたスルーホール導体で接続され、さらに外部端子もスルーホール導体で形成することができ、これにより容量が取り出される。
【0043】
また、電極層2、3の形状を長方形状とした例について説明したが、正方形状、円形状等どのような形状であっても良い。
【0044】
【実施例】
実施例1
電極層、端子電極層および誘電体層の形成は全て高周波マグネトロンスパッタ法を用いた。スパッタ用ガスとしてプロセスチャンバー内にArガスを導入し、真空排気により圧力は6.7Paに維持した。
【0045】
プロセスチャンバー内には基板ホルダーと3個のターゲットホルダーが設置され、3種類のターゲット材料からのスパッタが可能である。スパッタ時には成膜する材料種のターゲット位置に基板ホルダーを移動させ、基板−ターゲット間距離は60mmに固定した。
【0046】
基板ホルダーとターゲット間には外部の高周波電源により13.56MHzの高周波電圧を印可し、ターゲット背面に設置された永久磁石により形成されたマグネトロン磁界により、ターゲット近傍に高密度のプラズマを生成させてターゲット表面のスパッタを行った。
【0047】
高周波電圧の印可は3個のターゲットに独立に可能である。基板ホルダーはヒータによる加熱機構を有しており、スパッタ成膜中の基板温度は一定となるよう制御した。
【0048】
また、基板ホルダーに設置された基板のターゲット側には厚さ0.10mmの金属マスクが3種類設置されており、成膜パターンに応じて必要なマスクが基板成膜面にセットできる構造とした。
【0049】
先ず、厚さ0.25mmのアルミナ焼結体基板上に第1のマスクパターンでPtターゲットのスパッタにより、図3(a)に示すような第1電極層同士を端子電極層で接続した櫛型電極を一体的に形成し、続いてターゲットにPb(Mg1/3 Nb2/3 )O3 焼結体を用い、第2のマスクパターンをセットし、基板温度535℃、高周波電力200Wの条件で、図3(b)に示すような誘電体層を形成した。
【0050】
次に第3のマスクパターンをセットし、Ptターゲットのスパッタにより図3(c)に示すような第2電極層同士を端子電極層で接続した櫛型電極を一体的に形成した。第1電極層および第2電極層の総面積はそれぞれ0.8mm2 とした。
【0051】
作製した単板型薄膜コンデンサの端子電極層上に半田バンプを形成して評価用ボードに実装した。使用した半田バンプは直径0.1mmで、各端子電極層上に3個ずつ形成し、図1および図2に示すような薄膜コンデンサを作製した。各半田バンプ間の距離Lは0.5mmとした。
【0052】
評価は、1MHzから1.8GHzでのインピーダンス特性を、インピーダンスアナライザー(ヒュウレットパッカード社製HP4291A)を用いて行った結果、容量成分は17.5nF、インダクタンス成分80pHの値を得た。また上記測定後、薄膜コンデンサの断面をSEM観察したところ、各誘電体層の厚さは0.4μmであった。
【0053】
尚、比較例として、図7に示すような、従来の一般的なコンデンサの構造とする以外、例えば電極層の面積等の条件を上記と同様にして作製し、容量成分とインダクタンス成分を測定したところ、容量成分は17.6nF、インダクタンス成分380pHの値を得た。
【0054】
実施例2
実施例1と全く同様にして誘電体層10層の積層薄膜コンデンサを作製し、実施例1と同様の方法で評価したところ、容量成分は176nF、インダクタンス成分80pHの値を得た。また上記測定後、積層型薄膜コンデンサの断面をSEM観察したところ、各誘電体層の厚さは0.4μmであった。
【0055】
実施例3
基板材、電極材、電極形成方法、形状、および寸法は実施例1と全く同様にして、誘電体層のみをゾルゲル法により形成した。ゾルゲル法による膜の作製手順は以下のとおりとした。
【0056】
酢酸MgとNbエトキシドを1:2のモル比で秤量し、2−メトキシエタノール中で還流操作(124℃で24時間)を行い、MgNb複合アルコキシド溶液(Mg=4.95mmol、Nb=10.05mmol、2−メトキシエタノール150mmol)を合成した。次に酢酸鉛(無水物)15mmolと150mmolの2−メトキシエタノールを混合し、120℃での蒸留操作により、Pb前駆体溶液を合成した。
【0057】
MgNb前駆体溶液とPb前駆体溶液をモル比Pb:(Mg+Nb)=1:1になるよう混合し、室温で十分撹拌し、Pb(Mg1/3 Nb2/3 )O3 (PMN)前駆体溶液を合成した。
【0058】
この溶液の濃度を2−メトキシエタノールで約3倍に希釈し、塗布溶液とした。次に電極層上に、前記塗布溶液をスピンコーターで塗布し、乾燥させた後、300℃で熱処理を1分間行い、ゲル膜を作製した。塗布溶液の塗布−熱処理の操作を繰り返した後、830℃で1分間(大気中)の焼成を行い、Pb(Mg1/3 Nb2/3 )O3 薄膜を得た。
【0059】
得られた上記誘電体薄膜の上にレジストを塗布しフォトリソグラフィー工程によって露光、現像し、これをマスクとするウェットエッチングにより、実施例1と同様のパターン形状に誘電体膜のパターニングを行い、実施例1と同様の薄層コンデンサを作製した。
【0060】
作製した薄膜コンデンサを実施例1同様、評価ボードに実装し、1MHzから1.8GHzでのインピーダンス特性を、インピーダンスアナライザー(ヒュウレットパッカード社製HP4291A)を用いて測定した。その結果、容量成分は42.5nF、インダクタンス成分80pHの値を得た。また上記測定後、薄膜コンデンサの断面をSEM観察したところ、各誘電体層の厚さは0.5μmであった。
【0061】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の薄膜コンデンサでは、各容量素子が複数に分割され、電流経路を分割することができ、インダクタンスを小さくすることができるとともに、各容量素子間に、第1電極層同士を接続する端子電極層と、第2電極層同士を接続する端子電極が形成されており、これらの端子電極にそれぞれ外部端子を設けることにより、端子電極間の距離が短くなり、実効的な電流経路が短くなりインダクタンスを小さくすることができる。さらに本発明の構造は積層化が容易であり、外部との接点に用いる外部端子を端子電極層上に形成したので、外部端子形成時に発生する熱応力による容量素子へのダメージを考慮する必要がなく、また実装も容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の単板型の薄膜コンデンサを示す分解斜視図である。
【図2】図1の平面図である。
【図3】本発明の薄膜コンデンサの電極層を端子電極層により接続した櫛型電極、および誘電体層を示す平面図である。
【図4】外部端子を形成しない端子電極層を有する薄膜コンデンサの平面図である。
【図5】端子電極層に2個ずつ外部端子を形成した薄膜コンデンサの平面図である。
【図6】本発明の積層型の薄膜コンデンサを示す分解斜視図である。
【図7】従来の薄膜コンデンサを示す分解斜視図である。
【符号の説明】
1・・・誘電体層
2・・・第1電極層
3・・・第2電極層
4、5・・・端子電極層
6・・・基板
A、B、C、D・・・容量素子
7・・・外部端子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a thin-film capacitor, for example, a thin-film capacitor and a large-capacity, low-inductance capacitor that are provided in an electric circuit that operates at high speed and that are used for bypassing high-frequency noise or preventing fluctuations in power supply voltage. is there.
[0002]
[Prior art]
In recent years, as electronic devices have become smaller and more sophisticated, there has been an increasing demand for electronic components installed in the electronic devices to be smaller, thinner, and compatible with high frequencies.
[0003]
Particularly in a high-speed digital circuit of a computer which needs to process a large amount of information at high speed, the clock frequency in the CPU chip is 100 MHz to several hundred MHz, and the clock frequency of the bus between chips is also 30 MHz to 100 MHz, even at the personal computer level. Is remarkable.
[0004]
In addition, as the degree of integration of LSIs increases and the number of elements in a chip increases, the power supply voltage tends to decrease in order to suppress power consumption. As the speed, density, and voltage of these IC circuits have increased, it has become essential for passive components such as capacitors to exhibit excellent characteristics with respect to high-frequency or high-speed pulses, along with increasing the size and capacity. I have.
[0005]
In order to reduce the size and the capacity of the capacitor, it is most effective to make the dielectric sandwiched between the pair of electrodes thinner and thinner. The thinning also conforms to the above-mentioned tendency of voltage drop.
[0006]
On the other hand, the problems associated with the high-speed operation of the IC circuit are more serious problems than the miniaturization of each element. Of these functions, what is particularly important in the function of removing high-frequency noise, which is the role of the capacitor, is to instantaneously reduce the power supply voltage that occurs when logic circuits are switched at the same time. This function is reduced by supplying. A capacitor having such a function is a so-called decoupling capacitor.
[0007]
The performance required for the decoupling capacitor is how quickly the current can be supplied according to the current fluctuation of the load section faster than the clock frequency. Therefore, it must function reliably as a capacitor in the frequency range from 100 MHz to 1 GHz.
[0008]
However, an actual capacitor element has a resistance component and an inductance component in addition to the capacitance component. The impedance of the capacitance component decreases as the frequency increases, but the inductance component increases as the frequency increases. Therefore, as the operating frequency increases, the inductance of the element limits the transient current to be supplied, causing an instantaneous drop in the power supply voltage on the logic circuit side or new voltage noise. As a result, an error occurs in the logic circuit.
[0009]
In particular, in recent LSIs, the power supply voltage has been reduced in order to suppress an increase in power consumption due to an increase in the total number of elements, and the allowable fluctuation width of the power supply voltage has been reduced. Therefore, it is very important to reduce the inductance of the decoupling capacitor element itself in order to minimize the voltage fluctuation width during high-speed operation.
[0010]
There are three ways to reduce inductance. The first is a method of minimizing the length of the current path, the second is a method of reducing the magnetic field formed by one current path by the magnetic field formed by another current path adjacent thereto, and the third is a method of reducing the number of current paths to n. This is a method of dividing the effective inductance to 1 / n.
[0011]
The first method is a method of increasing the capacity per unit area to reduce the size, and can be achieved by reducing the thickness of the capacitor element. Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-94716 discloses a capacitor in which the thickness of a dielectric material is reduced to 1 μm or less for the purpose of obtaining a capacitor having a large capacity and good high-frequency characteristics.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, when considering a decoupling capacitor that can be mounted at a desired place, a dimension that can be handled is required to be about 0.5 mm × 0.5 mm or more, and the inductance is reduced only by the first thin film and the miniaturization method. Had limitations.
[0013]
A method using a combination of the first to third methods is also conceivable. However, a thin film capacitor having sufficient characteristics in terms of characteristics such as miniaturization, thinning, large capacity, and high frequency compatibility is still obtained. I couldn't do that.
[0014]
An object of the present invention is to provide a thin-film capacitor having a low inductance structure that is easy to mount and easy to stack.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In the thin film capacitor of the present invention, a plurality of capacitive elements each having a first electrode layer formed on a lower surface of a dielectric layer and a second electrode layer formed on an upper surface are arranged at predetermined intervals, and a plurality of capacitive elements are formed between the plurality of capacitive elements. And a terminal electrode layer for connecting the first electrode layers to each other and the second electrode layer to each other, and an external terminal is further provided on the terminal electrode layer.
[0016]
A multilayer thin film capacitor according to the present invention includes a capacitor in which a plurality of dielectric layers and a plurality of electrode layers are alternately stacked, and the electrode layers are alternately formed as a first electrode layer or a second electrode layer from below. A plurality of elements are juxtaposed at predetermined intervals, and terminal electrode layers for connecting the first electrode layers and the second electrode layers on the same plane are provided between the plurality of capacitance elements, respectively. An external terminal is provided on the upper terminal electrode layer.
[0017]
Further, the substrate of the present invention is obtained by providing the above-mentioned thin film capacitor on the surface and / or inside of the base.
[0018]
[Action]
In the thin film capacitor of the present invention, a plurality of capacitance elements are juxtaposed at a predetermined interval, and the first electrode layer and the second electrode layer of each capacitance element are connected to each other by a terminal electrode layer provided between the capacitance elements. Since each external terminal is formed on each terminal electrode layer, each capacitance element is divided into a plurality of parts, the current path can be divided, and the inductance can be reduced.
[0019]
In addition, a terminal electrode layer connecting the first electrode layers and a terminal electrode layer connecting the second electrode layers are formed between the capacitor elements, and external terminals are provided on these terminal electrode layers, respectively. Thereby, the distance between the terminal electrode layers is shortened, the effective current path is shortened, and the inductance can be further reduced.
[0020]
Further, each electrode layer can be connected at a terminal electrode formed between the capacitor elements, and can be manufactured by a similar manufacturing method only by changing the electrode shape of the conventional capacitor as shown in FIG. It becomes easy. In addition, since the external terminal used for the contact with the outside can be formed on the terminal electrode layer where the dielectric layer does not exist directly below, it is possible to prevent damage to the capacitive element due to thermal stress when forming the external terminal, In addition, there is no need to consider the adverse effects, and mounting is facilitated.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the single-plate type thin film capacitor of the present invention, as shown in FIGS. 1 and 2, a
[0022]
Terminal electrode layers 4 and 5 are formed between the capacitance elements A, B, C and D, respectively, and the
[0023]
Then, as shown in FIG. 2, the upper surfaces of the three
[0024]
FIG. 3 shows the planar shapes of the electrode layers 2 and 3 and the
[0025]
The
[0026]
Further, as shown in FIG. 3B, the
[0027]
In the above example, the case where four capacitors A, B, C, and D are provided has been described. However, the number of capacitors may be three or more. As the number of capacitor elements increases, the number of terminal electrode layers increases, and the number of external terminals formed thereon can be increased. Therefore, the number of current path divisions increases, and inductance can be reduced.
[0028]
As shown in FIG. 2, the
[0029]
The thickness of the
[0030]
As the
[0031]
The electrode layers 2 and 3 and the
[0032]
Furthermore, the
[0033]
The
[0034]
In the thin film capacitor configured as described above, since the electrode layers 2 and 3 of the capacitors A, B, C, and D are connected by the
[0035]
Further, the
[0036]
That is, in a conventional thin film capacitor as shown in FIG. 7, a
[0037]
In addition, since the
[0038]
The laminated type thin film capacitor of the present invention will be described with reference to FIG. According to FIG. 6, the laminated thin film capacitor is obtained by further laminating a dielectric layer and an electrode layer on the single plate type thin film capacitor shown in FIG.
[0039]
That is, capacitance elements formed by alternately laminating the electrode layers 2 and 3 and the
[0040]
The multilayer thin-film capacitor having the structure shown in FIG. 6 also has the effect of dividing the current path by the plurality of
[0041]
Further, a
[0042]
In addition, the thin film capacitor of the present invention is generally formed on the substrate surface as described above, and may be used by being built in the substrate. When the laminated type is built in the substrate, the terminal electrode layers are connected to each other by, for example, through-hole conductors formed in the substrate, and the external terminals can also be formed by through-hole conductors. Is taken out.
[0043]
In addition, although an example has been described in which the shape of the electrode layers 2 and 3 is rectangular, any shape such as a square shape or a circular shape may be used.
[0044]
【Example】
Example 1
The electrode layer, the terminal electrode layer, and the dielectric layer were all formed by using a high-frequency magnetron sputtering method. Ar gas was introduced into the process chamber as a sputtering gas, and the pressure was maintained at 6.7 Pa by evacuation.
[0045]
A substrate holder and three target holders are installed in the process chamber, and sputtering from three types of target materials is possible. At the time of sputtering, the substrate holder was moved to the target position of the kind of the material to be formed, and the distance between the substrate and the target was fixed at 60 mm.
[0046]
A high frequency voltage of 13.56 MHz is applied between the substrate holder and the target by an external high frequency power supply, and a high density plasma is generated near the target by a magnetron magnetic field formed by a permanent magnet installed on the back of the target. The surface was sputtered.
[0047]
The application of the high-frequency voltage can be independently applied to the three targets. The substrate holder had a heating mechanism using a heater, and was controlled so that the substrate temperature during sputter deposition was constant.
[0048]
In addition, three types of metal masks having a thickness of 0.10 mm are provided on the target side of the substrate placed on the substrate holder, and a structure in which a necessary mask can be set on the substrate deposition surface according to a deposition pattern. .
[0049]
First, as shown in FIG. 3A, a first electrode layer was connected to each other by a terminal electrode layer on a 0.25 mm-thick alumina sintered body substrate by sputtering a Pt target with a first mask pattern. An electrode is integrally formed, subsequently, a target is made of Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 sintered body, a second mask pattern is set, and a substrate temperature is set to 535 ° C. and a high frequency power is set to 200 W. Thus, a dielectric layer as shown in FIG. 3B was formed.
[0050]
Next, a third mask pattern was set, and a comb-shaped electrode in which the second electrode layers were connected by a terminal electrode layer as shown in FIG. 3C was integrally formed by sputtering a Pt target. The total area of each of the first electrode layer and the second electrode layer was 0.8 mm 2 .
[0051]
Solder bumps were formed on the terminal electrode layers of the manufactured single-plate type thin film capacitor, and mounted on an evaluation board. The used solder bumps had a diameter of 0.1 mm and were formed three on each terminal electrode layer to produce a thin film capacitor as shown in FIGS. The distance L between the solder bumps was 0.5 mm.
[0052]
The evaluation was performed using an impedance analyzer (HP4291A, manufactured by Hewlett-Packard Company) as an impedance characteristic at 1 MHz to 1.8 GHz. As a result, a value of 17.5 nF was obtained for the capacitance component and a value for the inductance component was 80 pH. After the above measurement, when the cross section of the thin film capacitor was observed by SEM, the thickness of each dielectric layer was 0.4 μm.
[0053]
As a comparative example, the capacitance component and the inductance component were measured in the same manner as described above except that the conditions such as the area of the electrode layer and the like were prepared except that the structure of the conventional general capacitor was used as shown in FIG. However, the capacitance component obtained a value of 17.6 nF, and the inductance component obtained a value of 380 pH.
[0054]
Example 2
A laminated thin-film capacitor having 10 dielectric layers was fabricated in exactly the same manner as in Example 1, and evaluated by the same method as in Example 1. As a result, a capacitance component of 176 nF and an inductance component of 80 pH were obtained. After the above measurement, when the cross section of the multilayer thin film capacitor was observed by SEM, the thickness of each dielectric layer was 0.4 μm.
[0055]
Example 3
The substrate material, the electrode material, the electrode forming method, the shape, and the dimensions were exactly the same as in Example 1, and only the dielectric layer was formed by the sol-gel method. The procedure for producing a film by the sol-gel method was as follows.
[0056]
Mg acetate and Nb ethoxide were weighed in a molar ratio of 1: 2, and reflux operation (124 ° C. for 24 hours) was performed in 2-methoxyethanol to obtain a MgNb composite alkoxide solution (Mg = 4.95 mmol, Nb = 10.05 mmol). , 2-methoxyethanol 150 mmol) was synthesized. Next, 15 mmol of lead acetate (anhydride) and 150 mmol of 2-methoxyethanol were mixed, and a Pb precursor solution was synthesized by a distillation operation at 120 ° C.
[0057]
The MgNb precursor solution and the Pb precursor solution are mixed at a molar ratio of Pb: (Mg + Nb) = 1: 1, sufficiently stirred at room temperature, and mixed with Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 (PMN) precursor. A body solution was synthesized.
[0058]
The concentration of this solution was diluted about 3-fold with 2-methoxyethanol to obtain a coating solution. Next, the coating solution was applied on the electrode layer by a spin coater, dried, and then heat-treated at 300 ° C. for 1 minute to produce a gel film. After repeating the operation of coating and heat treatment of the coating solution, baking was performed at 830 ° C. for 1 minute (in the air) to obtain a Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 thin film.
[0059]
A resist is applied on the obtained dielectric thin film, exposed and developed by a photolithography process, and the dielectric film is patterned into the same pattern shape as in Example 1 by wet etching using the resist as a mask. A thin-film capacitor similar to that of Example 1 was produced.
[0060]
The produced thin film capacitor was mounted on an evaluation board as in Example 1, and the impedance characteristics at 1 MHz to 1.8 GHz were measured using an impedance analyzer (HP4291A manufactured by Hewlett-Packard Co.). As a result, a capacitance component of 42.5 nF and an inductance component of 80 pH were obtained. After the above measurement, when the cross section of the thin film capacitor was observed by SEM, the thickness of each dielectric layer was 0.5 μm.
[0061]
【The invention's effect】
As described above in detail, in the thin-film capacitor of the present invention, each capacitance element is divided into a plurality, the current path can be divided, the inductance can be reduced, and the first electrode is provided between each capacitance element. A terminal electrode layer for connecting the layers and a terminal electrode for connecting the second electrode layers are formed. By providing external terminals to these terminal electrodes, the distance between the terminal electrodes is reduced, and the The current path becomes short and the inductance can be reduced. Furthermore, since the structure of the present invention can be easily laminated, and external terminals used for contact with the outside are formed on the terminal electrode layer, it is necessary to consider damage to the capacitive element due to thermal stress generated when forming the external terminals. And it is easy to mount.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a single-plate type thin film capacitor of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of FIG.
FIG. 3 is a plan view showing a comb-shaped electrode in which electrode layers of the thin film capacitor of the present invention are connected by a terminal electrode layer, and a dielectric layer.
FIG. 4 is a plan view of a thin film capacitor having a terminal electrode layer on which no external terminal is formed.
FIG. 5 is a plan view of a thin film capacitor in which two external terminals are formed on a terminal electrode layer.
FIG. 6 is an exploded perspective view showing a multilayer thin film capacitor of the present invention.
FIG. 7 is an exploded perspective view showing a conventional thin film capacitor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
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