JP3987702B2

JP3987702B2 - 薄膜コンデンサ

Info

Publication number: JP3987702B2
Application number: JP2001300770A
Authority: JP
Inventors: 尚謙永仮
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: JP2003109843A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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として、もしくは電源電圧の変動防止用に供される低インピーダンスの薄膜コンデンサに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、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２００ＭＨｚから１ＧＨｚ、チップ間バスのクロック周波数も７５ＭＨｚから１２０ＭＨｚという具合に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、一対の電極層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】
薄膜コンデンサとしては、例えば、図４に示す外観斜視図、図５の断面図に示すように、支持基板１１上に、下側電極層１２、誘電体層１３、上側電極層１４とが順次清積層されて容量発生領域が形成されていた。
【０００７】
また、この容量発生領域は絶縁性保護膜１５が被覆されており、この絶縁性保護膜１５には、底面に上側電極層１４の一部が露出する貫通孔１６、１７が形成されている。この貫通孔１６、１７内には、ハンダバンプからなる外部端子１８、１９が形成されている。この薄膜コンデンサでは、上側電極層１４は、下側電極層１２との導通を防止するため、貫通孔１６の周りが環状に除去され、上側電極層１４の一部が分割されている。
【０００８】
このような薄膜コンデンサは、支持基板１１上にスパッタリング法、ＣＶＤ法等の気相合成法を用いて下側電極層１２を形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて、パターン加工を行う工程と、パターン加工された下側電極層１２上に、気相合成法やゾルゲル法などで誘電体層１３を形成し、フォトリソグラフィを用いてパターン加工する工程と、パターン加工された誘電体層１３上に上側電極層１４を形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて、パターン加工を行う工程と、上側電極層１４上に絶縁性保護膜１５を形成する工程と、この絶縁性保護膜１５に貫通孔１９を形成し、この貫通孔１６、１７内に、下側電極層１２および上側電極層１４にそれぞれ電気的に接続する外部端子１８、１９を形成する工程を経て作製される。図６は外部端子部分の拡大図であり、上側電極層１４は、ＴｉやＣｒなどの密着層１４ａと、表面のＡｕなどの金属層１４ｂとから成っている。尚、１７ａはＮｉなどの半田バリア層である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の上側電極層１４の構造は、常温常湿雰囲気での絶縁特性の向上に有効であるが、一般の信頼性試験の湿中雰囲気下では、水分の浸入による絶縁劣化が想定されるので、薄膜コンデンサの保護膜として耐湿性向上は必要不可欠である。
【００１０】
例えば、上側電極層１４として単にＡｕ層のみを使用して薄膜コンデンサを形成しようとすると、密着不良に由来する上側電極層１４の剥離が多発してしまう。
これを防止するために、誘電体層１３上に、Ｔｉ層、Ｃｒ層などの密着層１４ａを介在させてＡｕ層１４ｂを形成する。
【００１１】
しかしながら、前述の２層構成の上側電極層１４では、密着性は向上し、剥離等の問題は減少するものの、その後の熱履歴によっては、誘電体層１３、密着層１４ａ、Ａｕ層１４ｂ等の熱膨張係数の差により、微小な領域で、特に、誘電体層１３と密着層１４ａとの間にエアギャップが生じ、このギャップより静電容量のバラツキが生じる。
【００１２】
本発明は、上述の課題に鑑みて案出されたものであり、その目的は、上側電極層にＡｕ層を形成しても、安定した上側電極層となり、高容量を実現可能な薄膜コンデンサを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の薄膜コンデンサは、基板上に、下側電極層、誘電体層、上側電極層を順次積層した薄膜コンデンサであって、
前記上側電極層が、島状に形成された酸化チタンまたは酸化クロムの金属酸化物層、該金属酸化物層の金属と同一のチタンまたはクロムの金属層、Ａｕ層の、前記誘電体層側から積層された積層構造を有している。
【００１４】
また、前記上側電極層を構成する金属酸化物層の厚みｔが５ｎｍ＜ｔ＜５０ｎｍに形成されている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の薄膜コンデンサを図面に基づいて詳説する。
【００１６】
図１に示すように、絶縁体基板１上に形成された下側電極層２、誘電体層３及び上側電極層４が順次積層して、容量発生領域が構成されている。この上側電極層４は、図２に示すように、誘電体層３側から、ＴｉＯ₂、Ｃｒ₂Ｏ₃のいずれから成る金属酸化物層４ａと、該金属酸化物層４ａの金属（Ｔｉ、Ｃｒのいずれか）と同一の金属層４ｂ、及びＡｕ層４ｃが積層した構造となっている。そして、このような容量発生領域上には、例えば、感光性樹脂からなる保護膜５が被着形成されている。
この保護膜５には、上側電極層４の一部を露出する貫通孔６、７が形成されている。尚、貫通孔６からは上側電極層４の一部が露出し、且つ下側電極層２の一部に接続している。また、貫通孔７は、上側電極層４の一部が露出している。夫々の貫通孔６、７から露出する上側電極層４の一部は、互いに短絡しないようになっている。
この貫通孔９内には、半田バンプからなる外部端子８、９が突出して形成されている。尚、この貫通孔９の底面部分には、半田成分が上側電極層４を浸食しないようにＮｉなどの半田バリア層７ａが被着形成されている。
【００１７】
ここで、薄膜コンデンサが形成される絶縁体基板１としては、アルミナ、サファイア、窒化アルミニウム、ＭｇＯ単結晶、ＳｒＴｉＯ₃単結晶、表面酸化シリコン、ガラス、石英等から選択されるもので特に限定されない。
【００１８】
また、下側電極層２を構成する金属は耐酸化性の高い、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕに代表される貴金属電極層からなるものである。高周波領域での用途を考慮すると、下側電極層は抵抗の低いＡｕからなることが望ましい。この時、下側電極層の密着性を向上させる目的で密着層を介して形成してもよい。密着層を含む下側電極層はスパッタ、蒸着等の手法で形成可能であれば良い。下側電極層の被覆性を考慮すると０．２〜０．５μｍが望ましい。つまり、０．２μｍ未満と薄い場合には一部に被覆されない部分が発生する恐れがあり、また０．５μｍを越えて厚い場合には高周波領域における導体の表皮効果を考慮すると導体層の抵抗は殆ど変化せず、導電率の向上は見られない。
【００１９】
さらに、誘電体薄膜３は、高周波領域において高い比誘電率を有するＰｂ系ペロブスカイト型酸化物層結晶からなる誘電体でよく、例えばＰＭＮ、ＰＭＮ−ＰＴ、ＰＭＮ−ＰＺＴや、それ以外のＰＺＴ、ＰＬＺＴや、これらに他の金属を添加したり、置換した化合物であってもよく、特に限定されるものではない。また、誘電体薄膜３の膜厚は高容量と絶縁性を確保するため０.１〜１．０μｍが望ましい。これは０．１μｍ未満と薄い場合には被覆性が良好でなく絶縁性が低下してしまい、１．０μｍを越えて厚い場合には容量が小さくなるからである。誘電体薄膜３の膜厚は特に０．２〜０．８μｍが望ましい。
【００２０】
また、上側電極層４はＴｉＯ₂、Ｃｒ₂Ｏ₃などの金属酸化物層４ａと、該金属酸化物層４ａを形成する金属、即ち、Ｔｉ、Ｃｒのいずれかの金属層４ｂ及びＡｕ層４ｃからなるものである。このような上側電極層４の各層はスパッタ、蒸着等の手法で形成可能であれば良い。Ａｕ層４ｃを導体層としたのは、高周波領域での抵抗が低いからである。その膜厚は下側電極層２の場合と同様の理由から０．３〜０．５μｍが望ましい。金属酸化物層４ａ並びに金属層４ｂを形成する金属はＴｉもしくはＣｒより選ばれる少なくとも1種の金属であることが望ましい。金属酸化物層４ａの膜厚ｔは５ｎｍ＜ｔ＜５０ｎｍであり、かつ島状に形成する。５ｎｍより薄い場合は、不連続膜は得られやすいが、密着性及びエアギャップ抑制の効果は低く、５０ｎｍより厚くなる場合は、連続膜が形成されやすくなるので、逆に金属酸化物層４ａによる低誘電率層が形成され、静電容量低下を引き起こしてしまう恐れがある。逆に金属層５ｂの膜厚は被覆性を考慮することが必要であり、５０ｎｍよりも厚い膜厚が必要となる。１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の膜厚が望ましい。
【００２１】
保護膜５としては薄膜コンデンサの表面を保護するためのものであり、例えば、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ₂、ポリイミド樹脂、およびＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）等からなり、上記例ではＢＣＢ樹脂を用いた。保護膜５は、外部との電気的接続部分が露出するように形成されていることが必要である。
【００２２】
また、図１、図２に示すように表面実装用にハンダバンプ８、９を形成する場合は、上部電極層４の上部にさらに半田バリア層（拡散防止層）７ａを形成してもよい。半田バリア層７ａは少なくともハンダバンプ８、９が形成される部分のみに形成されていれば良く、コストの点を除けば上側電極層４の全面に形成しても良い。また、ハンダバンプ８、９と半田バリア層７ａとの間に、ハンダ濡れ性の良好な密着層を形成しても良い。ハンダ濡れ性の良好な材料として、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ａｕ等があり、特にＡｕが望ましい。
【００２３】
また、図３に示すように、半田パンプ８、９を省略し、半田バリア層７ａを外部端子としても構わない。
【００２４】
このような薄膜コンデンサは、上側電極層４上の保護膜５に形成された露出部にワイヤリング接続、ＴＡＢ接続を利用して電子部品が搭載されるプリント配線基板の表面の配線パターンに接続して用いられる。
【００２５】
以上のように構成された薄膜コンデンサでは、抵抗の小さいＡｕからなる電極層２、４を用いたため高周波での抵抗を低下できるとともに、高容量の薄膜コンデンサが形成でき、高周波でのインピーダンスを低下することが可能となる。さらに、容量劣化の小さい高信頼性の薄膜コンデンサが可能となる。
【００２６】
また、上記例では、本発明を薄膜コンデンサに適用した例について説明したが、本発明では上記例に限定されるものではなく、例えば、薄膜ＬＣフィルタ、薄膜ＲＣフィルタなどの薄膜複合部品に適用しても良い。
【００２７】
また、上記実施例では一層の誘電体層３を電極層２、４で挟持した単板型を示したが、複数の誘電体層３と電極層２、４とを交互に積層した積層型の薄膜コンデンサであっても良い。
【００２８】
【実施例】
本発明者は、電極層２、４ならびに半田バリア層７ａを高周波マグネトロンスパッタ法で、誘電体薄膜層３をゾルゲル法で作製した。
【００２９】
先ず、アルミナなどの支持基板１上に酸素雰囲気中のスパッタリングにより、膜厚３０ｎｍのＴｉＯ₂層を形成した後、同じくスパッタ法により、膜厚１０ｎｍのＴｉ層と０．２μｍのＡｕ層を形成し、下側電極層２とした。この下側電極層２上に、ゾルゲル法にて合成したＰｂ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃ −ＰｂＴｉＯ₃−ＰｂＺｒＯ₃塗布溶液をスピンコート法を用いて塗布し、乾燥させた後、４００℃で熱処理、８００℃で焼成を行い、膜厚０．７μｍのＰｂ（Ｍｇ_1/3 Ｎｂ_2/3 ）Ｏ₃ −ＰｂＴｉＯ₃ −ＰｂＺｒＯ₃からなる誘電体層３を形成した。
【００３０】
次に、誘電体層３の上面に、酸素雰囲気中のスパッタリングにより膜厚２５ｎｍのＴｉＯ₂層（金属酸化物層４ａ）、１００ｎｍのＴｉ層（金属層４ｂ）、０．３μｍのＡｕ層４ｃからなる上側電極層４を形成した。この時の有効容量発生領域面積１．４ｍｍ²の薄膜コンデンサとした。
【００３１】
同時に、ＴｉＯ₂層（金属酸化物層４ａ）のみの厚みをそれぞれ０ｎｍ、５ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍに変更した４種の試料を作製した。またＴｉの代わりにＣｒを用いて、下側電極層２及び上側電極層４を形成した試料の作製も行った。
【００３２】
その後、半田バリア層７ａを形成した後、膜厚３．５μｍのＢＣＢ樹脂からなる保護膜５を形成し、この保護膜５のハンダバンプ８、９の形成位置部分にヴィアホール加工を施した。
【００３３】
次に、スクリーン印刷により、ハンダペーストを印刷した後、リフロー処理し、半田バンプ８、９を形成し、図１及び図２に示すような半田バンプ８、９を有する薄膜コンデンサを得た。
【００３４】
表１に作製した試料（各ｎ＝５００）の周波数１ＭＨｚでの平均静電容量、標準偏差、温度サイクル試験（−５５℃から１２５℃ ５００サイクル）後の静電容量劣化率を示した。静電容量劣化率は試験投入前の静電容量Ｃ１、試験後の静電容量Ｃ２の差より求めた。
【００３５】
【表１】

【００３６】
表1に示したように、金属酸化物層４ａを形成しない試料No.９においては、平均容量は大きく変わらないが、そのバラツキは大きくなる。さらに、温度サイクル試験後の容量の劣化も大きくなり、信頼性を確保することができない。また、金属酸化物層４ａを１００ｎｍの厚みで形成した試料Ｎｏ．４と８の場合は、初期容量値が通常の５００分の１以下に下がってしまう。これは、ＴＥＭ観察の結果、低誘電率層（金属酸化物層４ａ）の連続膜が容量形成部に直列に挿入されたためと考えられる。
【００３７】
本発明の好ましい範囲である試料Ｎｏ．１，２，３及び５，６，７では、初期容量の低下もほとんどみられなかった。また、静電容量のバラツキも抑制されていることがわかる。温度サイクル試験後の容量値劣化も２０％以下に抑えられており、本発明の範囲で作製された試料が高容量・高信頼性の薄膜コンデンサを形成するのに適しているのがわかる。
【００３８】
【発明の効果】
以上の詳述したように、本発明によれば、基板上に、下側電極層、誘電体層、上側電極層を順次積層した薄膜コンデンサであって、上側電極層が、島状に形成された金属酸化物層、該金属酸化物層の金属と同一の金属層、Ａｕ層が、前記誘電体層側から積層された積層体からなり、金属酸化物層で誘電体層と上部電極層との間のエアギャップの発生を有効に抑えることができる。そのため低抵抗の上部電極層を維持しつつ、さらに高容量・高信頼性の薄膜コンデンサとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の薄膜コンデンサを示す断面図である。
【図２】本発明の薄膜コンデンサの部分断面図である。
【図３】本発明の他の薄膜コンデンサの部分断面図である。
【図４】薄膜コンデンサの外観斜視図である。
【図５】従来の薄膜コンデンサの断面図である。
【図６】従来の薄膜コンデンサの部分断面図である。
【符号の説明】
１・・・基板
２・・・下側電極層
３・・・誘電体層４・・・上側電極層
４ａ・・・金属酸化物層
４ｂ・・・金属層
４c・・・Ａｕ層
５・・・保護膜

Claims

基板上に、下側電極層、誘電体層、上側電極層を順次積層した薄膜コンデンサであって、
前記上側電極層が、島状に形成された酸化チタンまたは酸化クロムの金属酸化物層、該金属酸化物層の金属成分と同一の金属層、Ａｕ層が、前記誘電体層側から積層された積層体からなることを特徴とする薄膜コンデンサ。
前記上側電極層を構成する金属酸化物層の厚みｔが５ｎｍ＜ｔ＜５０ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の薄膜コンデンサ。